Приемопередатчик шинный что это

Обновлено: 07.07.2024

Оба интерфейсных протокола — RS 485 (стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса) и CAN (Controller Area Network — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков) — существуют еще с середины 1980 х годов, когда они были впервые представлены в качестве стандартов для организации каналов связи. Долгое время эти интерфейсы развивались сами по себе, не касаясь друг друга. Но прошло время, и ситуация начала меняться. Почему? Разобраться в этом нам поможет небольшая дискуссия, проведенная в рамках статьи.

В отличие от предыдущих стандартов физического уровня, в частности RS‑423, RS‑422 и RS‑232, появление RS‑485 стало поистине эволюционным этапом. Системы связи с поддержкой данного стандарта представляют собой многоточечную систему и имеют до 32 узлов в одиночной системе (с репитерами до 256).

Примерно в то же время, когда создавались упомянутые выше интерфейсы, используемые в таких приложениях, как компьютерные клавиатуры и мыши, принтеры и оборудование для промышленной автоматизации, интерфейс CANbus проектировался как автомобильная коммуникационная платформа, предложенная Робертом Бошем (Robert Bosch), владельцем компании Robert Bosch GmbH, для снижения стоимости производства авто. Эта шина стала альтернативой традиционным толстым многожильным автомобильным кабелям и упростила их прокладку благодаря применению многоузловых шин. Впервые представленный в модели BMW‑850 в 1986 году, автомобильный CAN-интерфейс сэкономил в ней более 2 км различных проводов! Кроме того, было значительно сокращено количество разъемов, а оценочная экономия веса машины составила 50 кг [1] . Так сложилось, что RS‑485 был предназначен для нужд промышленного рынка, а CAN — для автомобильного и транспортного сегмента, но постепенно он нашел место и в приложениях, скажем так, вне своей юрисдикции, то есть в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Согласно рыночным отчетам, применение CANbus увеличивается в разы, что является исключительным фактом для рынка интерфейсов. И хотя отчеты не разделяют промышленные и автомобильные рынки, многие согласны с тем, что промышленные рынки составляют около 20–30% от общего объема выпускаемой продукции. Рост использования интерфейсов в автомобильной промышленности можно объяснить распространением электроники, установленной сегодня в автомобилях. Современные автомобили имеют сложные микропроцессорные системы, необходимые для таких функций, как резервные камеры, автоматическая парковка, информационно-развлекательные системы, распознавание слепых зон и многое другое. Появление данных подсистем связано с увеличением числа датчиков и микроконтроллеров в авто, требующихся для обработки информации от всех сложных систем, действующих внутри машины. Еще в 1990‑х годах многие автопроизводители начали переход от ручного переключения передач к автоматическим, а позже и к коробкам передач с электронным управлением, основанным на поступающих на микроконтроллер данных о скорости, положении дроссельной заслонки и информации от барометрических датчиков. Сегодня на одном транспортном средстве можно насчитать свыше 100 датчиков и микроконтроллеров, многие из которых общаются по шине CAN. Даже полностью электрический автомобиль Tesla S имеет внутри 65 микроконтроллеров [2] .

Оба протокола имеют дифференциальный выходной сигнал. Выход RS‑485 представляет собой классический дифференциальный сигнал, в котором один сигнал является инвертированным, или зеркальным отражением другого. Выход A — неинвертирующая линия, а выход B — инвертирующая линия. Дифференциальный диапазон +1,5…+5 В равен логической 1 или значению, а пределы –1,5…–5 В — логическому 0 или пробелу. Сигнал с уровнем, лежащим в диапазоне –1,5…+1,5 В, считается как неопределенный. Важно отметить, что когда RS‑485 не используется, то его выход пребывает в состоянии высокого импеданса.

Помехи на шине земли

Предположим, что ИМС₁ меняет свое состояние. В этом случае от шины +5 В к земле протекает большой кратковременный ток по указанным путям (ток может достигать 100 мА). Этот ток в комбинации с индуктивностью проводников земли и U+ приводит к появлению коротких выбросов напряжения относительно опорной точки, как показано на рисунке. Несмотря на то, что выбросы могут иметь длительность всего 5-20 нс, они доставляют массу неприятностей.

Лучшей профилактикой против таких явлений является:

б) обильное использование конденсаторов развязки по всей схеме. Чем мощнее шины земли, тем меньше выбросы, индуцированные током (меньше индуктивность и сопротивление). Роль конденсаторов развязки, включенных между U+ и землей и разбросанных по всей плате, заключается в том, чтобы передать импульсы тока по кратчайшим путям с небольшой индуктивностью и существенно уменьшить выбросы по напряжению. Конденсатор работает как локальный источник напряжения, поскольку напряжение на нем существенно не изменяется во время коротких выбросов тока. Лучше всего установить возле каждой ИС конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, хотя может оказаться достаточным и один конденсатор на две-три ИС. Кроме того, для запаса энергии полезно расставить по всей плате танталовые конденсаторы большой емкости (достаточно 20 мкФ, 20 В).

Между прочим, конденсаторы развязки между шинами питания и землей рекомендуется ставить в любых схемах, будь то цифровые или линейные. Они помогают превратить шины питания в низкоимпедансные источники напряжения на высоких частотах и предотвращают сигнальную связь между схемами через источник питания. Шины питания без развязок могут привести к непредусмотренному поведению схемы, непредсказуемым колебаниям.

Выбросы, обусловленные емкостными нагрузками

Несмотря на развязки по питанию, проблемы еще не закончились. Взгляните на рисунок:

Помехи на шине земли из-за емкостной нагрузки

Цифровой выход обнаруживает паразитную емкость монтажа и входную емкость ИС, которой он управляет (обычно, 5-10 пФ) как часть общей нагрузки. Для того чтобы осуществить быстрый переход от состояния к состоянию, он должен отобрать от этой нагрузки или подать в нее большой ток в соответствии с I=C(dV/dt).

Похожие выбросы по земле появятся вблизи управляемой ИС, где выбросы тока возвращаются на землю через входную емкость управляемого прибора.
В синхронных системах с большим числом элементов, одновременно меняющих состояние, ситуация с выбросами-помехами становится настолько серьезной, что схема не в состоянии работать надежно. Особое значение это приобретает для больших печатных плат с длинными межсоединениями и длинным земляным путем. В такой схеме могут происходить сбои, когда целая группа линий данных меняет свое состояние от верхнего уровня к низкому, вызывая появление кратковременного очень большого тока по земле. Такая информационная зависимость является характерной особенностью сбоев, обусловленных помехами, и хорошим обоснованием для прогона расширенных тестов памяти в микропроцессорных системах.

Наилучший подход к проектированию состоит в том, чтобы использовать массивную разводку земли (для обеспечения низкой индуктивности), лучше всего в виде внутреннего слоя земли на многослойной плате или по крайней мере перпендикулярных земляных проводников с обоих сторон более простой двухсторонней платы. Обильное использование конденсаторов развязки обязательно.

Соединения между платами

В случае логических сигналов, передаваемых между платами, возможностей для появления помех становится все больше. Возрастает емкость проводников, цепь земли становится длиннее, поскольку теперь она проходит по кабелям, разъемным соединителям, платным расширителям и т.п. Поэтому выбросы по земле, возникающие за счет токов во время логических переходов, как правило, больше и вызывают больше беспокойств. Лучше всего стараться избегать передачи между платами тактирующих сигналов с большим коэффициентом разветвления. А провода заземления к отдельным платам сделать достаточно мощными.

Если тактирующие сигналы все же передаются между платами, то целесообразно использовать на каждой плате вентиль в качестве входного буфера. В крайнем случае может понадобится ИС линейного формирователя и приемника. В любом случае критические схемы лучше располагать на одной плате: тогда появляется возможность контролировать индуктивность цепи земли и свести к минимуму емкость монтажа. Проблемы, которые возникают при пересылке быстрых сигналов через несколько плат, трудно даже оценить. Они могут обернуться настоящим бедствием для всего проекта.

Шины данных

Когда большое число подсхем объединяются в шину данных, упомянутые проблемы становятся еще более острыми. Более того, появляются новые моменты — эффекты длинных линий, обусловленные длиной и индуктивностью самих сигнальных линий. Для самых быстрых ИС эмиттерно-связанной логики (с фронтом менее 1 нс) эти эффекты становятся настолько важными. Все сигнальные цепи длиной более 1 дюйма следует рассматривать как линии передачи и соответствующим образом их согласовывать.

Проводники, расположенные вблизи земли, имеют меньшую индуктивность и менее склонны к образованию емкостной связи с близлежащими сигнальными линиями, поэтому для создания простой объединительной платы все сигнальные линии следует расположить на одной стороне, а другую сторону отвести под основательную земляную плоскость. Двухсторонние печатные платы имеют широкое распространение, но для сложных схем все чаще применяются многослойные печатные платы.

Оконечная нагрузка шин

Распространенным способом завершения ТТЛ-шины является подключение делителя напряжения между + 5 В и землей. Логический высокий уровень удерживается при этом на уровне + 3 В, а это означает, что при переключении нужен меньший перепад напряжения и поэтому через емкость нагрузки протекает меньший ток. Обычно выбирают комбинацию из резисторов 180 и 390 Ом, подключенных соответственно к + 5 В и земле:

RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.

Как было сказано выше стандарт содержит электрические характеристики приемников и передатчиков, которые могут быть использованы для передачи двоичных сигналов в многоточечных сетях, при этом стандарт не оговаривает другие характеристики: такие как качество сигнала, протоколы обмена, типы соединителей для подключения, линии связи. В результате неопределенности потребители часто испытывают трудности при подключении того или иного оборудования к сети RS-485. Порой неправильно разведенная сеть RS-485 способна свести к нулю затраченные на повышение автоматизации усилия, и может стать причиной постоянных отказов, сбоев и ошибок в работе оборудования. Цель данной статьи - предоставить пользователям рекомендации по подключению и практической реализации систем передачи данных на основе интерфейса RS-485.

1 Краткое описание стандарта

Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных

Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485

2 Рекомендации по подключению

Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.

Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485

Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.

Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.

Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи

Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.

Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.

Рисунок 5 — Защитное смещение

Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.

Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:

R_сети = (R_{общ.терм} · R_общ.вх) / (R_{общ.терм} + R_общ.вх) = (60 · 6000) / (60 + 6000) = 60Ом.

Рассчитаем ток в цепи смещения:

При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:

Получаем сопротивление резисторов смещения:

R_см = 1140 / 2 = 570Ом.

Выбираем ближайший номинал 560Ом.

Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения

Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.

Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.

Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.

Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.

Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех

2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.

6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.

7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.

9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.

10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.

Читайте также: