###
  • Програми
  • Безпека
  • Новини
  • Цікаве
  • Поради
  • Новини
  • Огляди

    • Різниця між rs232 та rs485. Приймачі MAXIM для індустріальних інтерфейсів - огляд новинок. Захист систем передачі від несприятливих зовнішніх впливів

    16.07.2021 Новини

    Інтерфейси RS-485 та RS-422 описані у стандартах ANSI EIA/TIA-485-А та EIA/TIA-422.Інтерфейс RS-485 є найпоширенішим у промисловій автоматизації. Його використовують промислові мережі Modbus. Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbusта безліч нестандартних мереж. Пов'язано це з тим, що за всіма основними показниками даний інтерфейс є найкращим з усіх можливих за сучасного розвитку технології. Основними його перевагами є:

    • двосторонній обмін даними всього по одній кручений парі проводів;
    • робота з кількома трансіверами, підключеними до однієї і тієї ж лінії, тобто можливість організації мережі;
    • велика довжина лінії зв'язку;
    • досить висока швидкість передачі.

    2.3.1. Принципи побудови

    Диференціальна передача сигналу

    В основі побудови інтерфейсу RS-485 лежить диференціальний спосіб передачісигналу, коли напруга, що відповідає рівню логічної одиниці або нуля, відраховується не від "землі", а вимірюється як різниця потенціалів між двома лініями, що передають: Data + і Data - (рис. 2.1). При цьому напруга кожної лінії щодо "землі" може бути довільною, але не повинна виходити за діапазон -7...+12 [-TIA].

    Приймачі сигналу є диференціальними, тобто. сприймають лише різницю між напругами лінії Data + і Data -. При різниці напруг більше 200 мВ, до +12 вважається, що на лінії встановлено значення логічної одиниці, при напрузі менше -200 мВ, до -7 В - логічного нуля. Диференціальна напруга на виході передавача відповідно до стандарту повинна бути не менше 1,5 В, тому при порозі спрацьовування приймача 200 мВ перешкода (у тому числі падіння напруги на омічному опорі лінії) може мати розмах 1,3 над рівнем 200 мВ. Такий великий запас необхідний роботи на довгих лініях з великим омическим опором. Фактично, саме цей запас за напругою визначає максимальну довжину лінії зв'язку (1200 м) при низьких швидкостях передачі (менше 100 кбіт/с).

    Завдяки симетрії ліній щодо "землі" в них наводяться перешкоди, близькі за формою та величиною. У приймачі з диференціальним входом сигнал виділяється шляхом віднімання напруги на лініях, тому після віднімання напруга перешкоди виявляється рівним нулю. У реальних умовах, коли існує невелика асиметрія ліній та навантажень, перешкода пригнічується не повністю, але істотно послаблюється.

    Для мінімізації чутливості лінії передачі до електромагнітного наведення використовується кручена пара проводів. Струми, що наводяться в сусідніх витках внаслідок явища електромагнітної індукції, за "правилом буравчика" виявляються спрямованими назустріч один одному і взаємно компенсуються. Ступінь компенсації визначається якістю виготовлення кабелю та кількістю витків на одиницю довжини.

    "Третій" стан виходів

    Рис. 2.1. З'єднання трьох пристроїв з інтерфейсом RS-485 за двопровідною схемою

    Другою особливістю передавача D (D - "Driver") інтерфейсу RS-485 є можливість переведення вихідних каскадів у "третій" (високомний) стан сигналом (Driver Enable) (рис. 2.1). Для цього замикаються обидва транзистори вихідного каскаду передавача. Наявність третього стану дозволяє здійснити напівдуплексний обмін між будь-якими двома пристроями, підключеними до лінії, всього по двох дротах. Якщо на рис. 2.1 передачу виконує пристрій , а прийом - пристрій , то виходи передавачів і перетворюються на високоомний стан, тобто фактично до лінії виявляються підключені тільки приймачі, причому вихідний опір передавачів і не шунтує лінію.

    Переведення передавача інтерфейсу в третій стан здійснюється зазвичай сигналом RTS (Request To Send) СОМ-порту.

    Чотирипровідний інтерфейс

    Інтерфейс RS-485 має дві версії: двопровіднуі чотирипровідну. Двопровідна використовується для напівдуплекснийпередачі(рис. 2.1), коли інформація може передаватися в обох напрямках, але у різний час. Для повнодуплексної (дуплексної) передачі використовують чотири лінії зв'язку: за двома інформація передається в одному напрямку, за двома іншими - у зворотному (рис. 2.2).

    Недоліком чотирипровідної (рис. 2.2) схеми є необхідність жорсткого вказівки ведучого та ведених пристроїв на стадії проектування системи, у той час як у двопровідній схемі будь-який пристрій може бути як у ролі ведучого, так і веденого. Перевагою чотирипровідної схеми є можливість одночасної передачі та прийому даних, що буває необхідно при реалізації деяких складних протоколів обміну.

    Режим прийому луна

    Рис. 2.2. Чотирипровідне з'єднання пристроїв з інтерфейсом RS-485

    Якщо приймач передавального вузла включений під час передачі, то передавальний вузол приймає свої сигнали. Цей режим називається "прийомом луни" і зазвичай встановлюється мікроперемикачем на платі інтерфейсу. Прийом лунаіноді використовується у складних протоколах передачі, але частіше цей режим вимкнено.

    Заземлення, гальванічна ізоляція та захист від блискавки

    Якщо порти RS -485, підключені до лінії передачі, розташовані на великій відстані один від одного, то їх потенціал "земель" можуть сильно відрізнятися. У цьому випадку для виключення пробою вихідних каскадів мікросхем трансіверів(приймачів) інтерфейсу слід використовувати гальванічну ізоляцію між портом RS-485 та землею. При невеликій різниці потенціалів "землі" для вирівнювання потенціалів, в принципі, можна використовувати провідник, однак такий спосіб на практиці не застосовується, оскільки практично всі комерційні інтерфейси RS-485 мають гальванічну ізоляцію (див. наприклад, перетворювач NL-232C або повторювач інтерфейсів NL-485Cфірми RealLab!).

    Захист інтерфейсу від блискавки виконується за допомогою газорозрядних та напівпровідникових пристроїв захисту, див. "Захист від перешкод" .

    2.3.2. Стандартні параметри

    Останнім часом з'явилося багато мікросхем трансіверів інтерфейсу RS-485, які мають ширші можливості, ніж стандарт. Однак для забезпечення сумісності пристроїв необхідно знати параметри, описані в стандарті (див. табл. 2.2).

    2.3.5. Усунення стану невизначеності лінії

    Коли передавачі всіх пристроїв, підключених до лінії, знаходяться у третьому (високомомному) стані, логічний стан лінії та входів усіх приймачів не визначено. Щоб усунути цю невизначеність, вхід приймача, що не інвертує, з'єднують через резистор з шиною живлення, а інвертуючий - з шиною "землі". Величини резисторів вибирають такими, щоб напруга між входами побільшало порога спрацьовування приймача (+200 мВ).

    Оскільки ці резистори виявляються підключеними паралельно лінії передачі, то для забезпечення узгодження лінії з інтерфейсом необхідно, щоб еквівалентний опір на вході лінії дорівнював 120 Ом.

    Наприклад, якщо резистори, що використовуються для усунення невизначеності стану лінії, мають опір 450 Ом кожне, то резистор для узгодження лінії повинен мати номінал 130 Ом, тоді еквівалентний опір ланцюга дорівнює 114120 Ом. Для того, щоб знайти диференціальну напругу лінії у третьому стані всіх передавачів (див. рис. 2.6), потрібно врахувати, що до протилежного кінця лінії стандартної конфігурації підключений ще один резистор опором 120 Ом і до 32 приймачів з вхідним диференціальним опором 12. Тоді при напрузі живлення (рис. 2.6) диференціальна напруга лінії дорівнюватиме +272 мВ, що задовольняє вимогу стандарту.

    2.3.6. Наскрізні струми

    У мережі на основі інтерфейсу RS-485 може бути ситуація, коли включено два передавачі одночасно. Якщо при цьому один із них перебуває у стані логічної одиниці, а другий - у стані логічного нуля, то від джерела живлення на землю тече "наскрізний" струм великої величини, обмежений лише низьким опором двох відкритих транзисторних ключів. Цей струм може вивести з ладу транзистори вихідного каскаду передавача або спрацювати їх схеми захисту.

    Така ситуація можлива не тільки при грубих помилках у програмному забезпеченні, але й у випадку, якщо неправильно встановлено затримку між моментом вимкнення одного передавача та включенням іншого. Ведомий пристрій не повинен передавати дані до тих пір, поки передавальний не закінчить передачу. Повторювачі інтерфейсу повинні визначати початок і кінець передачі даних і відповідно переводити передавач в активний або третій стан.

    2.3.7. Вибір кабелю

    Залежно від швидкості передачі та необхідної довжини кабелю можна використовувати або спеціально спроектований для інтерфейсу RS-485 кабель або практично будь-яку пару проводів. Кабель, спроектований спеціально для інтерфейсу RS-485, є кручений парою з хвильовим опором 120 Ом.

    Для хорошого придушення випромінюваних і перешкод, що приймаються, важлива велика кількість витків на одиницю довжини кабелю, а також ідентичність параметрів всіх проводів.

    При використанні неізольованих трансіверів інтерфейсу крім сигнальних проводів в кабелі необхідно передбачити ще одну кручена пара для з'єднання ланцюгів заземлення інтерфейсів, що з'єднуються. За наявності гальванічної ізоляції інтерфейсів цього не потрібно.

    Кабелі можуть бути екранованими чи ні. Без експерименту дуже важко вирішити, чи потрібний екран. Однак, враховуючи, що вартість екранованого кабелю не набагато вища, краще завжди використовувати кабель з екраном.

    При низькій швидкості передачі та на постійному струмівелику роль грає падіння напруги на омічному опорі кабелю. Так, стандартний кабель для інтерфейсу RS-485 перетином 0,35 кв.мм має омічний опір 48,5*2=97 Ом при довжині 1 км. При термінальному резисторі 120 Ом кабель виконуватиме роль дільника напруги з коефіцієнтом розподілу 0,55, тобто напруга на виході кабелю буде приблизно в 2 рази менше, ніж на його вході. Цим обмежується допустима довжина кабелю за швидкості передачі менше 100 кбіт/с.

    На більш високих частотах допустима довжина кабелю зменшується зі зростанням частоти (рис. 2.7) та обмежується втратами в кабелі та ефектом тремтіння фронтуімпульсів. Втрати складаються з падіння напруги на омічному опорі провідників, яке на високих частотах зростає за рахунок витіснення струму до поверхні (скін-ефект) та втрат у діелектриці. Наприклад, ослаблення сигналу в кабелі Belden 9501PVC становить 10 дБ (3,2 рази) на частоті 20 МГц та 0,4 дБ (на 4,7%) на частоті 100 кГц при довжині кабелю 100 м.

    2.3.8. Розширення граничних можливостей

    Стандарт RS-485 допускає підключення не більше 32 приймачів до одного передавача. Ця величина обмежується потужністю вихідного каскаду передавача при стандартному опір вхідному приймача 12 кОм. Кількість навантажень (приймачів) може бути збільшена за допомогою потужніших передавачів, приймачів з великим вхідним опором та проміжних ретрансляторів сигналу (повторювачів інтерфейсу). Всі ці методи використовуються практично, коли це необхідно, хоча вони виходять за рамки вимог стандарту.

    У деяких випадках потрібно з'єднати пристрої на відстані понад 1200 м або підключити до однієї мережі понад 32 пристрої. Це можна зробити за допомогою повторювачів ( репітерів , ретрансляторів) інтерфейсу. Повторювач встановлюється між двома сегментами лінії передачі, приймає сигнал одного сегмента, відновлює фронти імпульсів та передає його за допомогою стандартного передавача у другий сегмент (рис. 2.5). Такі повторювачі зазвичай є двоспрямованими та мають гальванічну ізоляцію. Прикладом може бути повторювач NL-485C фірми RealLab! . Кожен повторювач дозволяє додати до лінії 31 стандартний пристрій та збільшити довжину лінії на 1200 м.

    Поширеним методом збільшення числа навантажень лінії є використання приймачів з більш високоомним входом, ніж передбачено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Наприклад, при вхідному опорі приймача 24 кОм до стандартного передавача можна підключити 64 приймача. Вже випускаються мікросхеми трансіверів для інтерфейсу RS-485 із можливістю підключення 64, 128 та 256 приймачів в одному сегменті мережі (www.analog.com/RS485). Зазначимо, що збільшення кількості навантажень шляхом збільшення вхідного опору приймачів призводить до зменшення потужності сигналу, що передається по лінії, і, як наслідок, до зниження перешкодостійкості.

    2.3.9. Інтерфейси RS-232 та RS-422

    Інтерфейс RS-422 використовується набагато рідше, ніж RS-485 і, як правило, не для створення мережі, а для з'єднання двох пристроїв на великій відстані (до 1200 м), оскільки інтерфейс RS Мал. 2.9. З'єднання двох модулів перетворювачів інтерфейсу RS-232/RS-422Диференційний

    Диференціальний

    Максимальна кількістьприймачів

    Максимальна довжина кабелю

    Максимальна швидкість передачі

    30 Мбіт/с**

    Синфазна напруга на виході

    Напруга в лінії під навантаженням

    Імпеданс навантаження

    Струм витоку в "третьому" стані

    Допустимий діапазон сигналів на вході приймача

    Чутливість приймача

    Вхідний опір приймача

    Примітка. **Швидкість передачі 30 Мбіт/с забезпечується сучасною елементною базою, але не стандартною.

    * EIA- Electronic Industries Association – асоціація електронної промисловості. TIA – Telecommunications Industry Association – асоціація телекомунікаційної промисловості. Обидві організації займаються розробкою стандартів.

    Компанія Maxim є світовим лідером у виробництві інтерфейсних мікросхем різноманітної функціональної організації.

    Усі мікросхеми мають особливості, що дозволяють зменшити вартість, збільшити щільність компонування елементів на платі за рахунок зменшення кількості додаткових елементів, а також забезпечити різноманітний захист пристроїв у лінії зв'язку.

    У лінійці інтерфейсних мікросхем MAXIM можна знайти:

    • Приймачі найбільш поширених промислових інтерфейсів: RS-232, RS-485/RS-422, IrDA, CAN, LIN, LVDS, USB, HART;
    • Двопротокольні пристрої, що дозволяють за допомогою однієї мікросхеми з'єднати пристрої з різними інтерфейсами, наприклад RS-232 та RS-485;
    • Багатопротокольні пристрої, що підтримують такі інтерфейси: RS-232, RS-449, RS-485, RS-530, RS-530A, V.10, V.11, V.28, V.35, V.36 і X.21;
    • Мікросхеми захисту ліній зв'язку від електростатичного перенапруги, що дозволяють забезпечити захист мікросхем та пристроїв струму;
    • Мікросхеми контролю інтерфейсних шин, що дозволяють відреагувати на короткі замикання в схемі і в разі необхідності підключити резервне живлення до пристрою, що розробляється;
    • Мікросхеми, що спрощують роботу зі smart-картами, а також контролери інтерфейсів, що прискорюють створення USB- та SCSI-пристроїв;
    • Розширювачі портів введення/виводу;
    • Двосторонні високошвидкісні перетворювачі рівня логічного сигналу для пару мікросхем з різним живленням в межах однієї плати.

    В основному для зв'язку промислових пристроїв використовуються інтерфейси RS-485 та RS-232. Лінійка приймачів цих інтерфейсів від компанії Maxim містить більше 300 різних пристроїв.

    Протокол RS-485

    Протокол RS-485 спільно розроблений двома асоціаціями: Асоціацією електронної промисловості (EIA - Electronics Industries Association) та Асоціацією промисловості засобів зв'язку (TIA - Telecommunications Industry Association). Раніше EIA маркувала всі свої стандарти префіксом RS ( Recommended Standard- Рекомендований стандарт). Багато інженерів продовжують використовувати це позначення, проте EIA/TIA офіційно замінив RS на EIA/TIA з метою полегшити ідентифікацію походження своїх стандартів.

    Цей стандарт став основою для створення цілого сімейства промислових мереж, які широко використовуються в промисловій автоматизації. Головна відмінність RS-485 від RS-232 – можливість об'єднання кількох пристроїв.

    Перерахуємо основні властивості фізичного рівня інтерфейсу RS-485:

    1. Двонаправлена ​​напівдуплексна передача даних. Потік послідовних даних передається одночасно тільки в одну сторону, передача в іншу сторону вимагає перемикання приймача. Приймачів прийнято називати «драйверами» (driver).

    2. Симетричний канал зв'язку. Для прийому/передачі даних використовуються два рівнозначні сигнальні дроти, які позначаються латинськими літерами «А» і «В». Цими проводами йде послідовний обмін даними в обох напрямках (по черзі). При використанні кручений пари симетричний канал істотно підвищує стійкість сигналу до синфазної перешкоди і добре пригнічує електромагнітні випромінювання, що створюються корисним сигналом.

    3. Диференціальний метод передачі. На виході приймача змінюється різниця потенціалів, при передачі «1» різниця потенціалів між A і B позитивна, при передачі «0» - негативна. Тобто струм між контактами А та В під час передачі «0» і «1» тече (балансує) у протилежних напрямках.

    4. Багатоточковість. Допускає множинне підключення приймачів та приймачів до однієї лінії зв'язку. Але в кожний момент часу передавати дані повинен лише один передавач, а приймати дані може велика кількість пристроїв.

    5. Низькоімпендансний вихід передавача. Буферний підсилювач передавача має низькоомний вихід, що дозволяє передавати сигнал до багатьох приймачів. Стандартна здатність навантаження передавача дорівнює 32 приймача на один передавач. Крім цього струмовий сигнал використовується для роботи «крученої пари» (що більше робочий струм «крученої пари», тим сильніше вона пригнічує синфазні перешкоди на лінії зв'язку).

    6. Зона нечутливості. Якщо диференціальний рівень сигналу між контактами АВ не перевищує ±200 мВ, вважається, що сигнал лінії відсутній. Це збільшує стійкість до перешкод даних.

    Диференціальна передача сигналу в системах на основі RS-485 забезпечує надійну передачу даних у присутності шумів, а диференціальні входи їх приймачів можуть придушувати значну синфазну напругу. Однак для захисту від великих рівнів напруги, які зазвичай асоціюються з електростатичним розрядом (ESD), необхідно вживати додаткових заходів.

    Заряджена ємність людського тіла дозволяє людині знищувати інтегральну схему простим торканням. Такий контакт може статися при прокладці і підключенні інтерфейсного кабелю.

    Деякі мікросхеми над ринком немає вбудованого захисту від електростатичного розряду, що змушує встановлювати додаткові захисні устрою на плату. Інтерфейсні мікросхеми Maxim включають «ESD-структури», які захищають виходи передавачів та входи приймачів у приймачів RS-485 від рівнів ESD до ±15 кВ, а в деяких моделях до рівня ±30 кВ.

    Щоб гарантувати заявлений захист від ESD, фахівці компанії Maxim здійснюють багаторазові тестування позитивних та негативних висновків живлення з кроком 200 для перевірки послідовності заявлених рівнів. Пристрої цього класу (що відповідають специфікаціям моделі людського тіла) маркуються у позначенні виробу додатковим суфіксом "E".

    Також для вихідних драйверів інтерфейсних мікросхем небезпечний режим короткого замикання, проте фахівці компанії Maxim розробили унікальну систему захисту, що відключає вихідні драйвери мікросхеми не тільки при виявленні короткого замикання, але і при перегріві мікросхеми, що забезпечує тривалий період роботи.

    Оскільки у мікросхем компанії MAXIM усі системи захисту та перетворювачі рівнів знаходяться на одному кристалі, то схема підключення сильно спрощується (рис. 1). Мінімальна кількістьнавісних елементів дозволяє максимально ущільнити розміщення інтегральних компонентів на платі, а мінімальні розміри мікросхем зв'язку (до 2×2 мм) спрощують проектування переносних пристроїв або пристроїв, що працюють в обмеженому просторі.

    Рис. 1.

    Мережі, побудовані на основі інтерфейсу RS-485, можуть бути як дуплексні, так і напівдуплексні. Напівдуплексний режим - це режим, при якому передача ведеться в обох напрямках, але з поділом за часом. У кожний момент часу передача ведеться лише одному напрямку. Дуплексний режим — це режим, коли передача даних може здійснюватися одночасно з прийомом даних. Іноді його називають «повнодуплексним» режимом для того, щоб ясніше показати різницю з напівдуплексним.

    Як відомо, стандарт RS-485 обумовлює лише електричні характеристики інтерфейсу зв'язку та фізичний рівень (середовище), але не програмну платформу. Однак існує безліч стандартизованих промислових протоколів, що працюють «поверх» стандарту RS-485. Серед цих протоколів найпоширенішим є PROFIBUS. Він поєднує технологічні та функціональні особливості послідовного зв'язку, що дозволяє з'єднати розрізнені пристрої автоматизації в єдину систему на рівні датчиків та приводів. PROFIBUS використовує обмін даними між провідним та веденими пристроями (протоколи DP та PA) або між кількома провідними пристроями (протоколи FDL та FMS).

    PROFIBUS DP ( Decentralized Peripheral -Розподілена периферія) — протокол, орієнтований забезпечення швидкісного обміну даними між системами автоматизації (провідними DP-пристроями) і пристроями розподіленого вводу/вывода (відомими DP-устройствами).

    Він характеризується мінімальним часом реакції, високою стійкістю до впливу зовнішніх електромагнітних полів та оптимізований для високошвидкісних та недорогих систем. Ця версія мережі була спроектована спеціально для зв'язку між автоматизованими системами керування та розподіленою периферією. Електрично протокол близький до RS-485, тому мікросхеми, що дозволяють працювати за протоколом PROFIBUS, за бажання користувача можна переналаштувати на роботу за інтерфейсом RS-485.

    MAX14840E та MAX14841E

    MAX14840E і MAX14841Eзахищені від електростатичного розряду трансівери, призначені для напівдуплексних мереж RS-485 зі швидкістю передачі до 40 Мбіт/с. Ці приймачі оптимізовані для високошвидкісного зв'язку пристроїв на великій відстані. Спеціальні системизахист від несиметричності сигналу, а також збільшений гістерезис вхідного сигналу дозволяють значно збільшити стійкість до перешкод.

    Звичайний струм споживання мікросхем у режимі очікування або режимі роботи (з відключеними вихідними драйверами) становить всього 1,5 мА. Пристрої, побудовані на цій мікросхемі, можуть включатися в мережу, що вже працює, «на льоту», не викликаючи перехідні процеси, що погіршують форму передається в Наразісигналу.

    Мікросхеми MAX14840E та MAX14841E від компанії Maxim доступні у восьмививідному корпусі формату SO та малих восьмиконтактних (3х3 мм) корпусах формату TDFN-EP, але, незалежно від форм-фактора, мікросхеми працюють у температурному діапазоні -40…125°C, що дозволяє використовувати в автомобільних мережах.

    Дана мікросхема розроблялася до роботи у високошвидкісної багатоточкової мережі RS-485 (рис. 2).


    Рис. 2.

    Мінімальна кількість висновків мікросхеми, а також високий рівень внутрішньої інтеграції дозволяє використовувати її практично без зовнішніх елементів, що підвищує щільність компонування плати та спрощує використання мікросхеми в малогабаритних переносних пристроях.

    Мікросхеми серії MAX14840E та MAX14841E містять блок захисту вихідних драйверів, який обмежує вихідний струм у разі короткого замикання лінії, що дозволяє зберегти вихідні драйвери у робочому стані, а також уникнути великих втрат енергії. У даній мікросхемі є блок захисту від перегріву, який відключає вихідні драйвери мікросхеми при перевищенні температури 160°C.

    Основні застосування:

    • Системи керування двигунами;
    • Управління мікрокліматом;
    • Промислові системи керування;
    • Різні мережі RS-485.

    MAX14770E

    У лінійці мікросхем від компанії Maxim є модель MAX14770E -приймач інтерфейсів PROFIBUS-DP/RS-485. Нове покоління технологічного процесу BiCMOS дозволяє досягти високої пропускної спроможності (20 Мбіт/с) і при цьому інтегрувати в структуру надійну схему захисту від електростатичного розряду (±35 кВ, HBM). Компактний корпус TDFN дозволяє використовувати цю мікросхему у переносних пристроях. Мікросхема працює у розширеному температурному діапазоні -40…125°C, що гарантує надійність у складних умовах.

    MAX14770E повенно сумісна з MAX3469,що дозволяє використовувати її для модернізації систем керування двигунами, мереж PROFIBUS-DP/RS-485 та промислових шин.

    MAX14770E має широкий діапазон напруги живлення, сумісний з промисловим стандартом (5 ±10%). Мікросхеми випускаються в компактному восьмививідному корпусі TDFN (3×3 мм), а також восьмививідному корпусі SO, для якого робочий температурний діапазон -40…85°C.

    Основні характеристики:

    • Відповідає вимогам Profibus-DP напруга живлення 4,5...5,5В;
    • Швидкість передачі сягає 20Мбіт/с;
    • Має захист від короткого замикання;
    • Має стійкий до відмови приймач;
    • Вимикається при перегріві;
    • Має можливість гарячої заміни;
    • Має розширений захист від електростатичного розряду: ±35кВ (модель людського тіла); ±20кВ (модель розряду через повітряний зазор); ±10кВ (модель розряду при торканні);
    • Має розширений температурний діапазон -40 ... 125 ° C для восьмививідного корпусу TDFN (3×3мм).

    Завдяки цим особливостям мікросхеми мають дуже широкі сфери застосування. Крім пристроїв у промислових мережах та системах кодування промислового обладнання, ці мікросхеми активно використовуються в системах управління двигунами, а також у мережах PROFIBUS-DP.

    MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E

    Мікросхеми серії MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184Eвід компанії Maxim - прийомопередавачі інтерфейсу RS-485, що працюють у повнодуплексному режимі та в режимі на вибір: напів- та повнодуплексному (рис. 3).


    Рис. 3.

    Особливістю цих мікросхем є те, що вони випускаються в компактних корпусах mDFN з габаритами 2х2 мм і призначені для застосування у розробках критичних до габаритів. Незважаючи на розміри, вони мають покращений захист від електростатичного розряду ±15 кВ, а також підтягувальні та заземлюючі навантажувальні резистори на входах DE, RE та F для зменшення кількості зовнішніх компонентів.

    Особливістю мікросхем MAX13182E, MAX13184E також є дуже низький струм у вимкненому режимі, що необхідне у додатках, критичних до енергоспоживання. Входи приймача мікросхеми створюють імпеданс величиною 1/8 одиничного навантаження, що дає можливість підключати до шини до 256 приймачів.

    Мікросхеми MAX13181E, MAX13182E включають драйвери з обмеженням швидкості наростання напруги вихідного сигналу, що зменшує електромагнітні перешкоди та відображення сигналів, що виникають при неправильне розведеннякабелів. Однак застосування драйверів з обмеженням швидкості наростання напруги вихідного сигналу дозволяє здійснювати передачу даних зі швидкістю до 250 кбіт/с, хоча значно зменшує кількість помилок.

    MAX13183E, MAX13184E, на відміну від попередніх ІС, мають драйвери, що працюють на повній швидкості, що дозволяє досягти швидкості передачі даних до 16 Мбіт/с. Особливістю цих мікросхем є можливість вибору напів-або повнодуплексного режиму роботи, а MAX13182E та MAX13184E працюють лише у повнодуплексному режимі. Усі виходи передавачів та входи приймача мають покращений захист від електростатичного розряду.

    Всі мікросхеми MAX13181E…MAX13184E випускаються в 10-вивідному корпусі mDFN з габаритами 2х2 мм і в 14-вивідному корпусі SO. Усі вони працюють у розширеному температурному діапазоні -40...85°C.

    Серед особливостей описуваних мікросхем можна назвати такі:

    • 10-вивідний корпус mDFN з габаритами 2х2мм та 14-вивідний корпус SO;
    • Напруга живлення 5В;
    • Розширений захист від електростатичного розряду;
    • ±15кВ (Специфікація HBM-модель людського тіла);
    • ±12 кВ (Специфікація IEC 61000-4-2 модель розряду через повітряний зазор);
    • ±6 кВ (Специфікація IEC 61000-4-2 модель розряду при дотику);
    • Режим роботи з обмеженням швидкості наростання напруги вихідного сигналу передачі даних без помилок (MAX13181E, MAX13182E);
    • Низький струм споживання 2,5мкА у режимі відключення;
    • Імпеданс величиною в 1/8 одиничного навантаження, що дає можливість підключати до шини до 256 приймачів.

    Завдяки малим розмірам та низькому споживанню струму дані мікросхеми відмінно підходять для застосування в переносних пристроях з автономним живленням, які можуть використовуватися як при керуванні виробничими процесами, так і в вимірювальній апаратурі, системах безпеки та телекомунікаційному обладнанні.

    MAX13448E

    MAX13448Е -дуплексні приймачі інтерфейсу RS-485 із захистом входів і виходів від перепадів напруги ±80 В (щодо землі). MAX13448E працює від джерела живлення номіналом 3…5,5 В. Особливістю ІС є схема захисту, яка гарантує наявність логічного стану високого рівня на виході приймача у разі вимкнення або замикання входів. Це дозволяє всі виходи приймача, підключені до шини, перевести в стан високого рівня при відключенні всіх приймачів.

    Можливість роботи ІС за наявності перепадів напруги ±80 В на висновках інтерфейсу RS-485 дозволяє усунути необхідність застосування зовнішньої схеми захисту, яка зазвичай містить запобіжники, що самовідновлюються, і стабілітрони.

    Вбудована схема захисту успішно використовується в таких архітектурах як USB та CAN, у яких живлення та передача даних здійснює по одному кабелю. MAX13448E добре підходить для застосування в промислових системах вентиляції та кондиціонування повітря, а також системах керування електродвигунами.

    Основною особливістю мікросхеми MAX13448E є модуль обмеження швидкості наростання вихідної напруги, використання якого знижує рівень електромагнітних перешкод і ефект наведень на кабель, що дозволяє здійснювати безпомилкову передачу даних на швидкості до 500 Кбіт/с при живленні 5 і 250 Кбіт/с при живленні 3, 3 Ст.

    У MAX13448E передбачена функція гарячої заміни, яка усуває можливість передачі неправильних даних у моменти вмикання живлення або при включенні ІС в роботу без вимкнення джерела живлення. Драйвер і приймач мікросхеми мають активний високий і активний низький логічний рівень включення, що дає можливість при спільному включенні ззовні керувати напрямом передачі.

    Повний вхідний опір приймача ІС є лише 1/8 стандартного навантаження, що дає можливість до однієї шини підключити до 256 передавачів. Виходи всіх драйверів мають захист від електростатичного розряду до ±8 кВ (дотик людини — Human Body Model). MAX13448E працює в температурному діапазоні -40 ... 85 ° C і випускається в 14-контактних корпусах SO.

    MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E

    MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413Eнапівдуплексні приймачі для інтерфейсів RS-485/RS-422, оптимізовані для застосування в схемах з ізольованими контурами. Ці ІС включають вбудований стабілізатор напруги з низьким падінням напруги, драйвер та приймач. Вбудований стабілізатор дозволяє працювати від нерегульованого джерела живлення номіналом до 28 В. Функція автоматичного перенаправлення даних, що пересилаються (архітектура AutoDirection фірми Maxim) дає можливість зменшити кількість оптичних елементів для розв'язки. Серед інших особливостей можна відзначити захист від електростатичного розряду, схему обмеження швидкості наростання напруги, схему підвищення стійкості до відмов, здатність пересилання даних на максимальній швидкості.

    Вбудований стабілізатор напруги з низьким падінням напруги виробляє напругу номіналом 5 ±10%, яке використовується для живлення внутрішніх ланцюгів приймача. Вихід вбудованого регулятора напруги виведений на VREG, що дозволяє користувачеві підключити зовнішні компоненти до джерела стабільної напруги за умови, що струм буде менше 20 мА. MAX13410E/MAX13411E не має виходу напруги 5 В, але його висновки відповідають промисловому стандарту, що дозволяє легко вбудовувати ІВ в промислові системи.

    У MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E та MAX13413E повний вхідний опір приймача ІС є лише 1/8 стандартного навантаження, що дає можливість до однієї шини підключити до 256 передавачів. Виходи драйвера мають захист від електростатичної напруги.

    Особливістю ІС MAX13412E/MAX13413E є функція автоматичного перенаправлення потоку даних. Подібна архітектура усуває необхідність використання сигналів керування DE та RE.

    У MAX13410E/MAX13412E застосовується схема обмеження швидкості наростання напруги, що знижує електромагнітні перешкоди, що створюються, і забезпечує стійку роботу в умовах високих зовнішніх електромагнітних перешкод при швидкості передачі даних до 500 Кбіт/с. У MAX13411E/MAX13413E схема обмеження не застосовується, але ці мікросхеми можуть передавати дані швидкості до 16 Мбіт/с.

    Мікросхеми працюють у температурному діапазоні -40 ... 85 ° С і випускаються в 8-контактних корпусах SO.

    Інтерфейс RS-232

    Незважаючи на всі позитивні якості інтерфейсу RS-485, інтерфейс RS-232 досі часто використовується у промислових системах. Він був розроблений для простого застосування, що визначається з його назви: «Інтерфейс між термінальним обладнанням та зв'язковим обладнанням з обміном за послідовним двійковим кодом».

    Інтерфейс RS-232 створений для передачі інформації між двома пристроями на відстань до 20 м. Він заснований на передачі диференціального сигналу, проте відрізняється рівнями та полярністю.

    Інформація передається по дротах з рівнями сигналів, що відрізняються від стандартних 5 В, що забезпечує більшу стійкість до перешкод. Асинхронна передача даних здійснюється із встановленою швидкістю при синхронізації рівнем сигналу стартового імпульсу.

    Сигнали після проходження кабелем послаблюються і спотворюються. Ослаблення зростає із збільшенням довжини кабелю. Цей ефект спричинений електричною ємністю кабелю. За стандартом максимальна ємність навантаження становить 2500 пФ. Типова погонна ємність кабелю становить 130 пФ, тому максимальна довжина кабелю обмежена приблизно 17 м-коду.

    Логічні рівні передавача: "0" - 5 ... 15 В, "1" - -5 ... -15 В.

    Логічні рівні приймача: "0" - вище 3 В, "1" - нижче -3 Ст.

    Незважаючи на те, що протокол RS-232 створювався давно, спеціалісти компанії Maxim досі покращують апаратну частину мережі, яка дозволяє забезпечити більшу надійність промислових систем.

    MAX13223E

    Новий двоканальний приймач MAX13223Eдля інтерфейсу RS-232 має вбудований захист входів/виходів до напруги ±70 В. MAX13223E - це перший на ринку приймач із захистом від перенапруги, сумісний за висновками з MAX3223E, що є в даний час промисловим стандартом.

    У нову мікросхему інтегровані ланцюги захисту входів/виходів від короткого замикання на шини живлення, помилок підключення та перенапруги до ±70, що усуває необхідність використання зовнішніх захисних ланцюгів. Така захист особливо критична для додатків, у яких живлення та дані передаються по тому самому дроту, т.к. запобігає виходу схеми з ладу через помилки підключення та короткі замикання на висновки інтерфейсу при пошкодженні кабелю.

    Запатентована Maxim схема AutoShutdown дозволяє довести споживаний струм у вимкненому режимі до 1 мкА. Мікросхема MAX13223E автоматично переходить у режим низького споживання енергії при відключенні кабелю RS-232 або при відсутності даних на вході приймача. Запатентована ефективна схема підкачування напруги живлення та низький рівеньпадіння напруги у тракті передачі забезпечує роботу мікросхеми від однополярного джерела напруги номіналом 3…5 ст.

    MAX13223E, виконаний у корпусі TSSOP-20, працює в діапазоні напруг живлення 3…5,5 В, забезпечуючи інтерфейс EIA/TIA-232 та V.28/V.24 з автоматичним вимкненнямта покращеним захистом від розрядів статичної електрики. Температурний діапазон мікросхеми -40...85°C.

    MAX13223E призначена для використання в автомобільних додатках, засобах зв'язку, базових станціях, системах обліку комунальних послуг, промисловому устаткуванні, торгових терміналах та телекомунікаційному обладнанні.

    Типова схема підключення (рис. 4) містить мінімум навісних елементів, що дозволяє максимально спростити розведення плати, а також максимально ущільнити розташування елементів на платі.

    Рис. 4.

    MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E

    Приймачі інтерфейсу RS-232 MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237Eрозроблені для заміни існуючих приймачів сімейства MAX3224E…MAX3227E та забезпечують високу швидкість передачі даних (до 3 Мбіт/с). Вбудовані регулятори напруги дозволяють працювати з логічними рівнями при низькій напрузі живлення, а за рахунок використання схеми AutoShutdown Plus струм споживання зменшився до рівня менше 1 мкА. Схема ESD забезпечує високий рівень захисту від статичного розряду.

    Мікросхеми MAX13234E…MAX13237E забезпечують можливість роботи за високої швидкості передачі за рахунок відсутності необхідності використання зовнішнього перетворення логічних рівнів. Мікросхеми MAX13234E і MAX13235E включають два приймачі та два передавачі. MAX13236E і MAX13237E включають один приймач і один передавач, що випускаються в компактному корпусі TQFN. MAX13235E та MAX13237E забезпечують швидкість передачі даних до 3 Мбіт/с, а MAX13234E та MAX13236E підтримують роботу на швидкості 250 кбіт/с. Усі пристрої працюють у розширеному температурному діапазоні -40...85°C від джерела живлення номіналом 3...5,5 В.

    Дані мікросхеми були створені для застосування переважно в галузі комунікаційних систем, але вони також ідеально підійдуть для портативних електронних пристроїв та промислового обладнання.

    HART-протокол

    Якщо описаних вище інтерфейсах передачі даних використовувалося напруга, тобто. сигнал визначався різницею напруги між двома висновками схеми, то протоколі HART ( Highway Addressable Remote Transducer) Електричним сигналом є струм. Мережі HART побудовані за принципом аналогової струмової петлі із частотною модуляцією сигналу.

    Протокол HART здатний забезпечити обмін даними на швидкості до 1200 Бод. Діаграма, яка пояснює роботу приладів HART-протоколу, представлена ​​на рис. 5.

    Рис. 5.

    Для передачі логічної «1» HART використовує один повний період частоти 1200 Гц, а передачі логічного «0» — два неповних періоду 2200 Гц.

    Як видно на малюнку 5, HART-складова накладається на струмову петлю 4...20 мА. Оскільки середнє значення синусоїди за період дорівнює «0», HART-сигнал ніяк не впливає на аналоговий сигнал 4 ... 20 мА.

    HART-протокол побудований за принципом "головний-підлеглий", тобто польовий пристрій відповідає за запитом системи. Протокол допускає наявність двох керуючих пристроїв (керуюча система та комунікатор).

    Існує два режими роботи датчиків, які підтримують обмін даними по HART-протоколу.

    У режимі передачі цифрової інформації одночасно з аналоговим сигналомдатчик працює в аналогових АСУ ТП, а обмін HART-протоколом здійснюється за допомогою HART-комунікатора або комп'ютера. При цьому можна віддалено (відстань до 3000 м) здійснювати повне налаштуваннята конфігурування датчика.

    У багатоточковому режимі датчик передає та отримує інформацію лише у цифровому вигляді. Аналоговий вихід автоматично фіксується на мінімальному значенні (тільки живлення пристрою - 4 мА) і не містить інформації про величину, що вимірюється. Інформація про змінні процесу зчитується за HART-протоколом.

    До пари проводів може бути підключено до 15 датчиків. Їх кількість визначається довжиною та якістю лінії, а також потужністю блоку живлення датчиків. Всі датчики в багатоточковому режимі мають свою унікальну адресу від 1 до 15, і звернення до кожного йде відповідною адресою. Комунікатор або система керування визначає всі датчики, підключені до лінії, та може працювати з будь-яким із них.

    DS8500

    Компанія Maxim Integrated Products, Inc представила DS8500 -однокристальний HART-модем, що відповідає на фізичному рівнівимог специфікації HART.

    Як бачимо на рис. 6, на кристалі інтегровані модулятор та демодулятор 1200/2200 Гц частотно-модульованого сигналу.


    Рис. 6.

    Мікросхема має дуже мале енергоспоживання та завдяки реалізованій цифровій сигнальній обробці потребує лише кілька зовнішніх компонентів. Вхідний сигнал оцифровується АЦП і надходить на цифровий фільтр/демодулятор. Архітектура модему дозволяє впевнено виявляти сигнал навіть у зашумленому середовищі. Вихідний ЦАП генерує синусоїдальну напругу та зберігає зсув фаз при перемиканні частот 1200 та 2200 Гц. Низьке споживання досягається забороною роботи приймача під час передачі сигналу, передавач не працює під час прийому. DS8500 ідеальні для створення малоспоживаючих передавачів систем керування технологічними процесами.

    Як бачимо на рис. 7, лише кілька зовнішніх компонентів та 20-вивідний мініатюрний корпус TQFN зменшують вартість та габарити виробу.


    Рис. 7.

    Основні особливості модему:

    • Однокристальне рішення для напівдуплексної передачі, 1200бод, FSK-модуляція та демодуляція;
    • Цифрова сигнальна обробка, що забезпечує надійне детектування вхідного сигналу в зашумленому середовищі;
    • Синусоїдальний вихідний сигнал з мінімальними гармонійними спотвореннями;
    • Стандартна тактова частота 3,6864 МГц;
    • Відповідність вимогам специфікації HART фізично;
    • Напруга живлення діапазоні 2,7…3,6В;
    • Максимальний струм споживання 285 мкА;
    • Мініатюрний 20-вивідний корпус TQFN з розмірами 5х5х0,8 мм.

    Завдяки активному використанню протоколу HART, мікросхема DS8500 є незамінною при розробці передавачів для пристроїв збору інформації (температури, тиску тощо), HART-модемів або HART-мультиплексорів.

    Висновок

    Хоча стандарти RS-232 та RS-485 були створені понад 30 років тому, вони активно використовуються досі. Раніше жоден персональний комп'ютер не міг обійтися без COM-порту, передача даних яким грунтується на протоколі RS-232. Навіть незважаючи на те, що в сучасних комп'ютерах COM-порт давно замінено сучаснішими, це ще не означає, що протоколи RS-232 і RS-485 забуті.

    У промислових мережах їм немає рівних через високу стабільність та великі відстані, на яких забезпечується передача даних. Проте ця надійність визначається як початкової вдалою розробкою протоколу, а й постійним удосконаленням апаратної частини.

    Інтерфейсна продукція компанії MAXIM ідеально задовольняє потреби російського ринку промислової електроніки, а інтерфейси ще довго житимуть. Maxim активно вдосконалює надійні характеристики мікросхем зв'язку і розширює їх додатковий функціонал.

    .

    Отримання технічної інформації, замовлення зразків, постачання - e-mail:


    Maxim придбав компанію Teridian

    Компанія Maximоголосила про придбання компанії Teridian Semiconductor Corporation Teridian Semiconductor є fabless-компанією (розробником без власних виробничих потужностей), штаб-квартира якої знаходиться в Ірвайні, штат Каліфорнія. Компанія є великим постачальником напівпровідникових компонентів, при цьому основна увага зосереджена на мікросхемах для лічильників енергоспоживання та засобів вимірювання енергії інтелектуальних енергетичних систем. Вона є постачальником трьох з чотирьох основних виробників лічильників енергоспоживання у США та понад п'ятдесят їх виробників у світі. Основна відмінна характеристика інтелектуальних датчиків Teridian - нова архітектура, яка дозволяє проводити більш точні виміри потужності у ширшому динамічному діапазоні. Для того, щоб оптимізувати час виходу продукту на ринок та зменшити витрати, виробники лічильників електроспоживання потребують мікросхем з високим ступенем інтеграції компонентів на чіпі та готових багаторівневих рішеннях. Продемонстрована Maxim можливість об'єднувати множинні сигнальні функції буде вкрай корисна у виробництві високоінтегрованих систем-на-кристалі (SoC) і готових рішень, що задовольняють цим вимогам. Було заявлено, що кількість інтелектуальних лічильників, які використовують як «системи на кристалі», так і готові рішення, має щорічно збільшуватись на 10% до 2014 року.

    Як нещодавно відзначив генеральний директор (СЕО) Maxim Тунк Долука ( Tunc Doluca): «Інвестиції у глобальні інтелектуальні енергетичні системи мають бути суттєвими, для того щоб використовувати електростанції та мережі енергопостачання більш ефективно. Засоби вимірювання енергії та засоби зв'язку є ключовими компонентами інтелектуальної енергетичної системи, а, отже, неминуче веде за собою розробку нових лічильників енергоспоживання на заміну застарілих. Придбання продуктової лінійки та команди компанії Teridian значною мірою прискорить наше впровадження на цей ринок, що швидко розвивається, і допоможе нам зміцнити наші позиції».

    В інтерфейсах RS-422 та RS-485 усунуті недоліки інтерфейсу RS-232, який широко використовується у персональних комп'ютерах. В основі побудови інтерфейсів RS-422/RS-485 є принцип диференціальної передачі даних. Суть його полягає у передачі одного сигналу по двох дротах, скручених між собою і утворюють кручені пари. Зазвичай один провід умовно називають як 'A', а інший – 'B'. Корисним сигналом є різницю потенціалів між проводами A і B: U A – U B = U AB . Для організації інтерфейсів необхідні лінійні передавачі з диференціальними виходами та лінійні приймачі з диференціальними входами.

    На рис. 1 наведено умовне зображення лінійного передавача інтерфейсів RS-422/RS-485 та часова діаграма його вихідного сигналу. Передавач видає напругу від 2 до 6 між виводами A і B. Передавач також має висновок C загальної точки (проводу) схеми. На відміну від інтерфейсу RS-232C, загальний провід тут не використовується для визначення стану лінії даних, а застосовується тільки для приєднання сигнального заземлення. Якщо на виході передавача 2< U AB < 6 В, то это соответствует логическому 0, а диапазон -6 < U AB < -2 В соответствует логической 1.

    Рис. 1. Передавач інтерфейсів RS-422/RS-485:

    а) - умовне позначення; б) – тимчасова діаграма вихідного сигналу U AB

    Лінійний передавач інтерфейсу RS-485 повинен обов'язково мати вхід сигналу «Роздільна здатність», що управляє. Призначення цього сигналу – з'єднувати виходи передавача з лінійними висновками A і B. Якщо сигнал «Дозвіл» перебуває у стані «Вимкнено» (зазвичай логічний 0), передавач буде від'єднаний від лінії. Стан відключення лінійного передавача зазвичай називають його третім або Z станом.

    Диференціальний приймач аналізує сигнали з лінії зв'язку, що надходять на його входи A і B. Якщо на вході приймача U A – U B = U AB > 0,2, це відповідає логічному 0, якщо U A – U B< -0,2 В, то это логическая 1. Диапазон | U A – U B | < 0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезисом), защищающей от воздействия помех. Линейный приемник также должен иметь вывод C общего провода схемы, чтобы выполнить сигнальное заземление.



    Застосування диференціального методу передачі сигналів забезпечує хорошу стійкість до перешкод інтерфейсів. Для апаратної реалізації інтерфейсу використовуються мікросхеми приймачів (трансіверів) з диференціальними входами/виходами, що підключаються до лінії, та цифровими входами/виходами, що підключаються до модуля UART мікроконтролера.

    Порівняння інтерфейсів RS-422 та RS-485.Стандарт визначає RS-422 як двоточковий інтерфейс з одним передавачем та до десяти приймачів. На рис. 2 наведено схему підключення пристроїв до ліній інтерфейсу для симплексного (одностороннього) обміну. Для дуплексного обміну потрібна друга пара проводів із таким самим підключенням пристроїв.

    Рис. 2. Підключення пристроїв до лінії зв'язку інтерфейсу RS-422

    Стандарт визначає RS-485 як багатоточковий інтерфейс, що дозволяє приєднання до однієї лінії до 32 передавачів, приймачів або їх комбінацій. На рис. 3 наведена схема підключення пристроїв до ліній інтерфейсу для напівдуплексного обміну. Диференціальні входи приймачів інтерфейсів RS-422/485 захищають від дії перешкод, але при цьому має здійснюватися з'єднання загальних точок пристроїв C між собою і з шиною заземлення. При великій протяжності лінії зв'язку для з'єднання загальних точок використовується додатковий провід третій інтерфейсу. Якщо використовується екранована кручена пара, то екран можна використовувати як третій дроти.

    Рис. 3. Підключення пристроїв до лінії зв'язку інтерфейсу RS-485

    Узгодження опорів у лінії зв'язку.При великих відстанях між пристроями, пов'язаними по кручений парі, і високих швидкостях передачі починають проявлятися так звані ефекти довгих ліній. При цьому спотворюються сигнали, що передаються за рахунок відображення сигналів на кінцях лінії зв'язку.

    Відомо, що будь-яка лінія електричного зв'язку характеризується хвильовим опором, який визначається лише її параметрами: площею та формою перерізу проводів, їх взаємного розташування, товщини та типу діелектрика між ними. Якщо підключити до кінця лінії резистор, що має опір, що дорівнює хвильовому, сигнал від нього не відображатиметься. Така лінія називається узгодженою. Спотворення в ній мінімальні. Узгоджувальний резистор RC встановлюється на тому кінці лінії, у бік якого передається сигнал. В інтерфейсі RS-422 він розташований на протилежному від передавача кінці лінії (див. рис. 2). В інтерфейсі RS-485, якщо передача йде у двох напрямках, узгоджувальні резистори R C встановлюються на обох кінцях лінії зв'язку (див. рис. 3). Винні пари, що застосовуються в даний час, мають хвильовий опір порядку 120 Ом, тому опір узгоджувальних резисторів також береться величиною 120 Ом. Термін «узгоджувальний» резистор не є загальноприйнятим. Часто замість нього використовують терміни: кінцевий або термінальний резистор.

    Максимальна швидкість передачі даних за інтерфейсами RS-422/RS-485 визначається безліччю факторів: довжиною та параметрами лінії зв'язку, параметрами приймачів та передавачів. Максимальна швидкість передачі на коротких відстанях (до 12 м) обмежується швидкодією передавачів та за стандартом дорівнює 10 Мбіт/с. На середніх відстанях (десятки та сотні метрів) швидкість передачі зменшується через зростання втрат у ємностях ізоляції кабелю та активних опорів проводів. Приміром, при довжині лінії 120 м максимальна швидкість передачі вбирається у 1 Мбіт/с. Максимальна довжина кабелю зв'язку за стандартом обмежена величиною 1200 м, швидкість передачі не перевищує 100 Кбіт/с.

    Перевагою інтерфейсів RS-422 та RS-485 є: дешевизна сполучних кабелів; дешевизна реалізації трансіверів; великий парк обладнання, що реалізує ці стандарти; можливість організації електричної розв'язки.

    Недоліком інтерфейсів є те, що вони відсутні у стандартній комплектації комп'ютерів та мікроконтролерів. Інтерфейси мають досить значне енергоспоживання та відносно невисоку швидкість передачі даних.

    В умовах промислового застосуваннябездротові лінії передачі даних ніколи не зможуть повністю замінити дротяні. Серед останніх найпоширенішим і найнадійнішим досі залишається послідовний інтерфейс RS-485. А виробником найбільш захищених від зовнішніх впливів та різноманітних за конфігурацією та ступенем інтеграції приймачів для нього, у свою чергу, залишається компанія Maxim Integrated.

    Незважаючи на зростання популярності бездротових мереж, найбільш надійний та стійкий зв'язок, особливо в жорстких умовах експлуатації, забезпечують провідні. Правильно спроектовані провідні мережідозволяють реалізувати ефективний зв'язок у промислових додатках та в системах автоматизованого управління виробничими процесами, забезпечуючи стійкість до перешкод, електростатичних розрядів та перенапруг. Відмінні риси інтерфейсу RS-485 зумовили його широке застосування в індустрії.

    Порівняння інтерфейсів RS-485 та RS-422

    Приймач RS-485 є найбільш поширеним інтерфейсом фізичного рівня для реалізації мереж з послідовною передачею даних, призначених для жорстких умов експлуатації в промислових застосуваннях та в системах автоматизованого управління будинками. Цей стандартПослідовний інтерфейс забезпечує обмін даними з високою швидкістю на порівняно велику відстань по одній диференціальній лінії (витій парі). Основна проблема застосування RS-485 у промисловості та в системах автоматизованого управління будівлями полягає в тому, що електричні перехідні процеси, що виникають при швидкій комутації індуктивних навантажень, електростатичні розряди, а також імпульсні перенапруги, впливаючи на мережі автоматизованих системуправління, здатні спотворити дані, що передаються, або призвести до виходу їх з ладу.

    В даний час існує кілька типів інтерфейсів передачі даних, кожен з яких розроблений для конкретних застосувань з урахуванням необхідного набору параметрів та структури протоколу. До інтерфейсів послідовної передачі даних відносяться CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I2 C, I2 S, LIN, SPI і SMBus, проте RS-485 і RS-422 як і раніше залишаються найбільш надійними, особливо в жорсткі умови експлуатації.

    Багато в чому схожі, проте мають деякі суттєві відмінності, які необхідно враховувати під час проектування систем передачі. Відповідно до стандарту TIA/EIA-422 інтерфейс RS-422 специфікований для промислових застосувань з одним провідним пристроєм шини даних, до якої може бути підключено до 10 ведених пристроїв (рис. 1). Він забезпечує передачу на швидкості до 10 Мбіт/с, використовуючи кручену пару, що дозволяє підвищити перешкодостійкість і досягти максимально можливої ​​дальності та швидкості передачі даних. Типові галузі застосування RS-422 - автоматизація виробничих процесів (виробництво хімікатів, харчове виробництво, паперові фабрики), комплексна автоматизація виробництва (автомобільна та металообробна промисловість), системи вентиляції та кондиціювання, системи безпеки, керування двигунами та контроль за переміщенням об'єктів.

    Рис. 1. Інтерфейс RS-422 із підключенням кількох приймальних пристроїв до загальної двопровідної лініїзв'язку

    RS-485 забезпечує більш високу гнучкість завдяки можливості використання кількох провідних пристроїв на загальній шині, а також збільшення максимальної кількості пристроїв на шині з 10 до 32. Відповідно до стандарту TIA/EIA-485, інтерфейс RS-485 у порівнянні з RS-422 має більше широкий діапазон синфазної напруги (-7…12 В замість ±7В) і дещо менший діапазон диференційної напруги (±1,5 В замість ±2 В), що забезпечує достатній рівень сигналу приймача при максимальному навантаженнілінії. Використовуючи розширені можливості багатоточкової шини даних, можна створювати мережі пристроїв, що підключені до одного послідовного порту RS-485. Завдяки високій завадостійкості та можливості багатоточкових підключень RS-485 є найкращим серед послідовних інтерфейсів для використання в промислових розподілених системах, що підключаються до програмованого логічного контролера (PLC), графічного контролера (HMI) або інших контролерів для збору даних. Оскільки RS-485 є розширеним варіантом RS-422, всі пристрої RS-422 можуть підключатися до шини керованої провідним пристроєм RS-485. Типові сфери застосування для RS-485 аналогічні переліченим вище областям застосування RS-422, при цьому більш часте використання RS-485 пояснюється його розширеними можливостями.

    RS-485 - найпопулярніший промисловий інтерфейс

    Стандарт TIA/EIA-485 допускає використання RS-485 з відривом до 1200 м. На коротких дистанціях швидкості передачі - понад 40 Мбіт/с. Використання диференціального сигналу забезпечує інтерфейсу RS-485 вищу дальність, проте швидкість передачі зменшується зі збільшенням довжини лінії. На швидкість передачі даних також впливає площа перерізу проводів лінії і кількість пристроїв, підключених до неї. При необхідності отримання одночасно великої дальності та високої швидкості передачі даних рекомендується використовувати приймачі RS-485 з вбудованою функцією високочастотної корекції, наприклад, MAX3291. Інтерфейс RS-485 може використовуватися в напівдуплексному режимі із застосуванням однієї крученої пари проводів або в дуплексному режимі з одночасними передачею та прийомом даних, що забезпечується використанням двох кручених пар (чотири дроти). У багатоточковій конфігурації у напівдуплексному режимі RS-485 здатний підтримувати до 32 передавачів та до 32 приймачів. Однак мікросхеми приймачів нового покоління мають вищий вхідний імпеданс, що дозволяє знизити навантаження приймача на лінію від 1/4 до 1/8 стандартного значення. Наприклад, при використанні приймача MAX13448E кількість приймачів, що підключаються до шини RS-485, може бути збільшено до 256. Завдяки розширеному багатоточковому інтерфейсу RS-485 є можливість побудови мереж різних пристроїв, підключених до одного послідовного порту, як показано на рис. 2.

    Рис. 2. Багатоточкова напівдуплексна приймальна система, що використовується в промислових додатках

    Чутливість приймача становить ±200 мВ. Отже, для розпізнавання одного біта даних рівні сигналу в точці підключення приймача повинні бути більшими за +200 мВ для нуля і менше -200 мВ для одиниці (рисунок 3). При цьому приймач пригнічуватиме перешкоди, рівень яких знаходиться в діапазоні ±200 мВ. Диференціальна лінія забезпечує також ефективне придушення синфазних перешкод. Мінімальний вхідний опір приймача становить 12 кОм, вихідна напруга передавача знаходиться в діапазоні ±1,5…±5 В.

    Рис. 3. Мінімальні рівні сигналів у лінії RS-485

    Проблеми, пов'язані з використанням послідовного інтерфейсу у промисловому середовищі

    Розробники промислових систем стикаються зі складними завданнями щодо забезпечення їх надійної експлуатації в електромагнітній обстановці, здатної вивести з ладу обладнання або порушити роботу цифрових системпередачі даних. Одним із прикладів подібних систем є автоматичне керування технологічним обладнанням на автоматизованому промисловому підприємстві. Контролер, керуючий процесом, вимірює його параметри, і навіть параметри довкілля, і передає команди виконавчим пристроям чи формує аварійні оповіщення. Промислові контролери є, як правило, мікропроцесорні пристрої, архітектура яких оптимізована для вирішення завдань даного промислового підприємства. Лінії передачі даних топології «точка-точка» в таких системах схильні до сильних електромагнітних перешкод від впливу навколишнього середовища.

    Перетворювачі постійної напруги, що використовуються в промисловому виробництві, працюють з високими вхідними напругами та забезпечують ізольовані від входу напруги для живлення навантаження. Для живлення пристроїв розподіленої системи, що не мають власного мережного джерела живлення, використовуються напруги 24 або 48 DC. Живлення кінцевого навантаження здійснюється напругою 12 або 5, отриманим шляхом перетворення вхідної напруги. Системам, що забезпечують зв'язок з віддаленими датчиками або виконавчими пристроями, потрібен захист від перехідних процесів, електромагнітних перешкод та різниці потенціалів землі.

    Багато компаній, такі як Maxim Integrated, докладають великих зусиль, щоб інтегральні мікросхеми для промислових застосувань відрізнялися високою надійністюта стійкістю до несприятливої ​​електромагнітної обстановки. Приймачі RS-485 виробництва компанії Maxim містять вбудовані ланцюги захисту від високовольтних електростатичних розрядів і імпульсних перенапруг і мають можливість «гарячої» заміни без втрати даних в лінії.

    Захист систем передачі від несприятливих зовнішніх впливів

    Посилений захист від ЕСР

    Електростатичний розряд (ЕСР) виникає при дотику двох протилежно заряджених матеріалів, внаслідок чого відбувається перенесення статичних зарядів та формується іскровий розряд. ЕСР часто виникає при контакті людей з навколишніми предметами. Іскрові розряди, що виникають при недбалому поводженні з напівпровідниковими приладами, можуть суттєво погіршити їх характеристики або призвести до повного руйнування напівпровідникової структури. ЕСР може виникнути, наприклад, при заміні кабелю або простому дотику до порту вводу-виводу та призвести до відключення порту внаслідок виходу з ладу однієї або кількох мікросхем інтерфейсу (рис. 4).

    Рис. 4. Результат впливу електростатичного розряду на кристал мікросхеми з недостатнім рівнем захисту

    Рис. 5. Спрощена схема вбудованого ланцюга захисту порту введення-виведення від ЕСР

    Подібні аварії можуть призводити до значних збитків, оскільки підвищують вартість гарантійного ремонту та сприймаються споживачами як наслідок низької якості продукту. У промисловому виробництві ЕСР є серйозною проблемою, здатною завдати збитків у мільярди доларів щорічно. У реальних умовах експлуатації ЕСР може призвести до відмови окремих компонентів, котрий іноді системи загалом. Для захисту інтерфейсів передачі можуть використовуватися зовнішні діоди, однак деякі інтерфейсні мікросхеми містять вбудовані компоненти захисту від ЕСР і не вимагають додаткових зовнішніх ланцюгів захисту. На рис. 5 показано спрощену функціональну схему типового вбудованого ланцюга захисту від ЕСР. Імпульсні перешкоди сигнальної лінії обмежуються діодною схемою захисту на рівнях напруги живлення VCC і землі і, таким чином, захищають внутрішню частину схеми від пошкоджень. Вироблені в даний час мікросхеми інтерфейсів та аналогові комутатори з вбудованим захистом від ЕСР здебільшого відповідають стандарту МЕК (IEC) 61000-4-2.

    Компанія Maxim Integrated інвестувала значні кошти у розробку мікросхем з надійним вбудованим захистом від ЕСР і в даний час займає лідируючі позиції у виробництві приймачів інтерфейсів від RS-232 до RS-485. Дані пристрої витримують вплив випробувальних імпульсів ЕСР, відповідних МЕК (IEC) 61000-4-2 та JEDEC JS-001 безпосередньо на порти введення-виведення. Рішення компанії Maxim у сфері захисту від ЕСР відрізняються надійністю, доступністю, відсутністю додаткових зовнішніх компонентів та меншою вартістю порівняно з більшістю аналогів. Всі мікросхеми інтерфейсів виробництва цієї компанії містять вбудовані елементи, що забезпечують захист кожного виводу від ЕСР, що виникають у процесі виробництва та експлуатації. Приймачі сімейства MAX3483AE/ MAX3485AE забезпечують захист виходів передавачів і входів приймачів від впливу високовольтних імпульсів амплітудою до ±20 кВ. При цьому зберігається нормальний режим роботи виробів, не потрібно вимикати та повторно вмикати живлення. Крім того, вбудовані елементи захисту від ЕСР забезпечують функціонування при включенні та вимкненні живлення, а також у черговому режимі з низьким енергоспоживанням.

    Захист від перенапруг

    У промислових застосуваннях входи та виходи драйверів RS-485 схильні до збоїв, що виникають в результаті імпульсних перенапруг. Параметри імпульсних перенапруг відрізняються від ЕСР - у той час як тривалість ЕСР зазвичай знаходиться в діапазоні до 100 нс, тривалість імпульсних перенапруг може становити 200 мкс і більше. Причинами виникнення перенапруг можуть бути помилки проводового монтажу, погані контакти, пошкоджені або несправні кабелі, а також краплі припою, які можуть утворювати струмопровідне з'єднання між силовими та сигнальними лініями на друкованій платі або в роз'ємі. Оскільки в промислових системах електроживлення використовуються напруги, що перевищують 24 В, вплив таких напруг на стандартні приймачі RS-485, що не мають захисту від перенапруг, призведе до їх виходу з ладу протягом декількох хвилин або навіть секунд. Для захисту від імпульсних перенапруг звичайні мікросхеми інтерфейсу RS-485 вимагають дорогих зовнішніх пристроїв, виконаних на дискретних компонентах. Приймачі RS-485 з вбудованим захистом від перенапруги здатні витримувати синфазні перешкоди в лінії передачі даних до ±40, ±60 і ±80 В. Компанія Maxim виробляє лінійку приймачів RS-485/RS-422 MAX13442E/E та виходах до ±80 В щодо землі. Елементи захисту функціонують незалежно від поточного стану мікросхеми, - чи включена вона, вимкнена або знаходиться в черговому режимі, - що дозволяє характеризувати дані приймачі як найбільш надійні в галузі, що ідеально підходять для промислових застосувань. Приймачі виробництва компанії Maxim зберігають працездатність при перенапругах, зумовлених замиканням силових і сигнальних ліній, помилками проводового монтажу, неправильним підключенням роз'ємів, дефектами кабелів і неправильною експлуатацією.

    Стійкість приймачів до невизначених станів лінії

    Важливою характеристикоюмікросхем інтерфейсу RS-485 є несприйнятливість приймачів до невизначених станів лінії, що гарантує встановлення високого логічного рівня на виході приймача при розімкнених або замкнутих входах, а також при переході всіх передавачів, підключених до лінії, у неактивний режим (високимпедансний стан виходів). Проблема коректного сприйняття приймачем сигналів замкнутої лінії даних вирішується шляхом усунення порогів вхідного сигналу до негативних напруг -50 і -200 мВ. Якщо вхідна диференціальна напруга приймача VA - VB більша або дорівнює -50 мВ - на виході R0 встановлюється високий рівень. Якщо VA - VB менший або дорівнює -200 мВ - на виході R0 встановлюється низький рівень. При переході всіх передавачів в неактивний стан і наявності лінії кінцевого навантаження диференціальна вхідна напруга приймача близько до нуля, внаслідок чого на виході приймача встановлюється високий рівень. При цьому запас перешкодостійкості на вході становить 50 мВ. На відміну від приймачів попереднього покоління, пороги -50 та -200 мВ відповідають значенням ±200 мВ, встановленим стандартом EIA/TIA-485.

    Можливість «гарячої» заміни

    Рис. 6. Спрощена структурна схема захисту входу DE при гарячій заміні

    У послідовному інтерфейсі передачі даних у одному напрямі використовується одна сигнальна лінія, через яку інформаційні біти передаються одна одною – послідовно.

    Починаючи з перших моделей ПЕОМ, був послідовний інтерфейс (англ. «Serial Interface») – COM-порт (англ. «Communications port»). Цей порт забезпечує асинхронний обмін за стандартом RS-232. COM-порти реалізуються на мікросхемах універсальних асинхронних приймачів (англ. «UART»). Вони займають по 8 суміжних 8-розрядних регістрів і можуть розташовуватися за стандартними базовими адресами 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порти можуть виробляти апаратні переривання IRQ4(зазвичай використовуються для COM1 та COM3) та IRQ3(для COM2 та COM4). З зовнішнього боку порти мають лінії послідовних даних передачі та прийому, а також набір сигналів керування та стану, що відповідає стандарту RS-232C. COM-порти мають зовнішні роз'єми-вилки DB-25P або DB-9P, виведені на задню панелькомп'ютера. Характерною особливістю інтерфейсу є застосування не ТТЛ-сигналів - все зовнішні сигналипорти двополярні. Гальванічна розв'язка відсутня – схемна «земля» пристрою, що підключається, з'єднується зі схемною «землею» комп'ютера. Швидкість передачі може досягати 115200 біт/с.

    Стандарт RS-232C описує несиметричні передавачі та приймачі: сигнал передається щодо загального дроту – схемної «землі». Логічній одиниці на вході даних (сигнал RxD) відповідає діапазон напруги від -12 до -3; логічному нулю – від +3 до +12 В. Для входів сигналів керування станом ON (включено) відповідає діапазон від +3 до +12 В, станом OFF (вимкнено) – від -12 до -3 В. Діапазон від -3 до + 3 В – зона нечутливості, що обумовлює гістерезис приймача: стан лінії вважається зміненим лише після перетину порога. Рівні сигналів на виходах передавачів повинні бути в діапазонах від -12 до -5 і від +5 до +12 В.

    Інтерфейс передбачає наявність захисного заземлення пристроїв, що з'єднуються, якщо обидва вони живляться від мережі змінного струму і мають мережеві фільтри.

    Фізично послідовний інтерфейс має різні реалізації, що відрізняються способом передачі електричних сигналів. Існує низка міжнародних стандартів, споріднених RS-232C. На рис. 25 наведено схеми з'єднання їх приймачів та передавачів, а також показані обмеження на довжину лінії ( L) та максимальну швидкістьпередачі даних ( v). Несиметричні лінії інтерфейсів RS-232C мають найнижчу захищеність від синфазної перешкоди. Найкращі параметри мають двоточковий інтерфейс RS-422A та його магістральний (шинний) аналог RS-485, що працюють на симетричних лініях зв'язку. Вони передачі кожного сигналу використовуються диференціальні сигнали з окремою (витою) парою проводів кожної сигнальної ланцюга. Оскільки логічно ці інтерфейси споріднені, допустиме застосування нескладних перетворювачів сигналів, що забезпечують перехід від одного інтерфейсу до іншого (рис.1).