Приемопередатчик RS-485 с двумя напряжениями питания и программируемой скоростью передачи

24 марта

автоматизацияST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемы

Полудуплексный приемопередатчик STR485 производства STMicroelectronics позволяет выполнять высокоскоростную передачу данных (до 20 Мбит/с), работает от низких питающих напряжений – 1,8 и 3,3 В, позволяет управлять передающей и приемной частью с помощью разных сигналов, а также имеет встроенную защиту от ESD и переходных процессов.

STR485 – это малопотребляющий полудуплексный приемопередатчик RS-485 (передатчик и приемник на одном кристалле), соответствующий требованиям стандарта ISO-IEC 8482 (второе издание 1993-12-15).

STR485 позволяет работать с двумя источниками питания:

  • для питания логической части схемы используется напряжение 1,65…3,6 В, подаваемое на вывод VL. Обычно в типовых приложениях используется напряжение 1,8 В;
  • для питания драйвера передатчика используется напряжение 3…3,6 В, подаваемое на вывод VCC. Обычно в типовых приложениях используется напряжение 3,3 В.

Возможность работы с низкими питающими напряжениями является обязательными условием для современных малопотребляющих электронных систем.

STR485 также позволяет выбирать предельную скорость передачи данных. Для передачи данных на большие расстояния предлагается использовать скорость обмена до 250 кбит/с, а для высокоскоростной передачи данных по линиям связи небольшой длины может использоваться скорость до 20 Мбит/с.

В режиме ожидания, когда драйвер и приемник отключены, потребление устройства уменьшается до 0,5 мкА.

Основные области применения

STR485 – интерфейс, созданный на основе RS-485 и предназначенный для дифференциальной передачи данных между множеством узлов, подключенных к общей шине (витой паре). STR485 позволяет выполнять высокоскоростной обмен данными при большой длине кабеля. Приемопередатчики ST485 будут востребованы при реализации сетевых интерфейсов в промышленных, автомобильных и компьютерных приложениях. Эволюция коммуникационных интерфейсов позволила создать низковольтные устройства, обеспечивающие быстрый обмен данных с меньшим уровнем ошибок.

Двухточечное соединение

Передача сигналов между двумя трансиверами осуществляется по витой паре, к которой подключаются выводы A и B обеих микросхем. Резисторы на концах линии необходимы для согласования волнового сопротивления дифференциальной пары Z0 (рисунок 1).

Рис. 1. Передатчик напрямую подключен к приемнику

Рис. 1. Передатчик напрямую подключен к приемнику

На рисунке 1 представлена простейшая схема, в которой два приемопередатчика соединяются напрямую друг с другом. Обе микросхемы подключены к земле, однако в реальности потенциалы этих земель могут существенно отличаться. Важно, чтобы возникающее между ними синфазное напряжение не превышало значения, установленного стандартом RS-485 (не более 7 В).

Выбор скорости передачи данных

На рисунке 1 входы SLR обоих трансиверов подключены к напряжению 1,8 В, поэтому скорость обмена данными будет ограничена 250 кбит/с. Чтобы использовать максимальную скорость передачи до 20 Мбит/с, входы SLR необходимо подключить к земле.

Предложенный способ выбора скорости обмена не зависит от числа узлов, подключенных к общей шине.

Для получения минимального уровня ошибок при передаче данных необходимо, чтобы предельная скорость передачи данных, определяемая подключением вывода SLR, была одинаковой у приемника и передатчика.

Рекомендуется напрямую подключать вход SLR к земле или напряжению питания (в соответствии с требованием конкретного приложения), даже при наличии встроенной подтяжки.

Реализация сетевого интерфейса RS-485

На рисунке 2 подставлена типовая сеть, образованная несколькими приемопередатчиками, подключенными к общей витой паре. Стоит особо подчеркнуть, что выводы A и B должны быть правильно соединены.

Рис. 2. К одной шине подключены несколько устройств

Рис. 2. К одной шине подключены несколько устройств

Скорость передачи всех трансиверов должна быть одинаковой, поэтому у всех микросхем входы SLR должны быть либо одновременно подключены к земле, либо одновременно подключены к напряжению питания VL.

Согласование импеданса витой пары выполняется с помощью пары резисторов, подключенных на концах линии. Таким образом, на промежуточных узлах согласующие резисторы отсутствуют.

Количество узлов на шине

Приемопередатчик STR485 поддерживает 1/8 UL. Спецификация RS-485 определяет единичную нагрузку как способность приемопередатчика управлять 32 устройствами с импедансом 12 кОм. Поскольку сопротивление STR485 выше 96 кОм, то к шине может быть подключено до 256 узлов.

Варианты управления и основные функциональные особенности

STR485 объединяет в одном корпусе передатчик (с драйвером) и приемник. Разрешение работы приемника и передатчика осуществляется независимо с помощью входов nRE и DE соответственно. Передатчик активируется, когда на входе DE присутствует высокий сигнал, а приемник активируется, когда на входе nRE присутствует низкий сигнал. Таким образом, при полудуплексном обмене эти входы можно объединить и управлять работой трансивера с помощью одного общего сигнала. При этом, когда передатчик будет активен (высокий уровень управляющего сигнала), работа приемника будет заблокирована и наоборот. Ниже рассматриваются типовые варианты управления трансивером STR485.

На рисунке 3 представлен вариант, при котором управление передатчиком и приемником осуществляется разными сигналами. Внешний управляющий микроконтроллер сам определяет, какой из блоков должен быть активным, исходя из требований приложения в конкретный момент времени.

Рис. 3. Независимое использование передатчика и приемника

Рис. 3. Независимое использование передатчика и приемника

На рисунке 4 представлен вариант, в котором входы nRE и DE объединены. В данном случае трансивер может работать только в двух режимах: в режиме приемника, когда передатчик отключен, и в режиме передатчика, когда приемник отключен. Главным преимуществом такого способа подключения является использование всего одного управляющего сигнала.

Рис. 4. Пример подключения приемопередатчика с одним общим управляющим сигналом

Рис. 4. Пример подключения приемопередатчика с одним общим управляющим сигналом

На рисунке 5 представлен еще один распространенный вариант управления STR485. В данном случае вход устройства nRE подключен к земле, а значит, приемник всегда находится в активном состоянии. Управление передатчиком осуществляется с помощью входа DE. Стоит отметить, что при таком способе управления пользователь может контролировать данные, отправляемые передатчиком, так как приемник всегда читает состояние шины. Это может быть полезно для обнаружения коллизий, когда сразу несколько передатчиков пытаются передать данные по шине.

Рис. 5. Использование трансивера только в режиме приема

Рис. 5. Использование трансивера только в режиме приема

Питание (типовая схема и трассировка)

Стандартное решение

Приемопередатчик STR485 предназначен для создания многоточечных сетей, кроме того, он может работать в составе традиционных шин RS-485. Типовая схема включения STR485 требует согласования входного/выходного сопротивления с импедансом линии связи Z0. На рисунке 6 представлена типовая схема включения STR485 с согласующим сопротивлением 120 Ом, равным импедансу шины RS-485.

Рис. 6. Типовая схема включения STR485

Рис. 6. Типовая схема включения STR485

Для нормальной работы трансивера необходимо обеспечить развязку по питанию. Для этого следует использовать конденсаторы 0,1 мкФ, размещенные в непосредственной близости от выводов питания (на рисунке 6 это конденсаторы C2 и C3), и дополнительные конденсаторы 1 мкФ (C1 и C4), расположенные в непосредственной близости от микросхемы. На рисунке 7 представлен вариант трассировки приемопередатчика на печатной плате.

Рис. 7. Типовая трассировка STR485

Рис. 7. Типовая трассировка STR485

Подключение питания и уровни питающих напряжений

STR485 работает с низковольтными источниками питания. Питание цифровой части схемы осуществляется через вывод VL, а питание аналоговой части схемы – через вывод VCC. Диапазон рабочих напряжений цифрового питания составляет 1,65…3,6 В, а диапазон напряжений аналогового питания – 3,0…3,6 В.

В типовой схеме включения (рисунок 6) для питания STR485 используются напряжения VL = 1,8 В и VCC = 3,3 В.

При необходимости для питания трансивера может использоваться один общий источник (VL = VCC), но диапазон его выходных напряжений будет ограничен 3,0…3,6 В (рисунок 8). Стоит отметить, что даже при использовании общего источника возле каждого вывода питания необходимо разместить собственный развязывающий конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

Рис. 8. В данной схеме используется общий источник питания 3,3 В, подключаемый к VL и VCC

Рис. 8. В данной схеме используется общий источник питания 3,3 В, подключаемый к VL и VCC

Если в схеме используются два источника питания, то напряжение питания VL должно быть меньше напряжения питания VCC, в противном случае возникающее внутри микросхемы смещение приведет к росту потребления.

Дополнительная защита линий связи

STR485 имеет встроенную защиту от электростатических разрядов (Electro Static Discharges, ESD) и быстрых переходных процессов (Electrical Fast Transient, EFT).

В документации на STR485 указан уровень устойчивости микросхемы ко внешним помехам при отсутствии дополнительных цепей защиты. Приемопередатчик STR485 способен выдерживать электростатические разряды ±4 кВ при использовании модели человеческого тела (HBM), ±8 кВ при контактном разряде и ±16 кВ при воздушном разряде. Два последних испытания выполняются в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2.

STR485 обеспечивает устойчивость к EFT до ±2 кВ, в соответствии с IEC 61000-4-4 в класс B.

Если в приложении требуется обеспечить более высокий уровень помехоустойчивости, то в схему следует добавить дополнительные защитные компоненты (рисунок 9).

Рис. 9. Дополнительная защита от статики и быстрых переходных процессов

Рис. 9. Дополнительная защита от статики и быстрых переходных процессов

Компания STMicroelectronics предлагает несколько вариантов реализации дополнительной защиты. В частности, для повышения устойчивости к помехам были испытаны следующие защитные устройства:

  • ESDA14V2BP6 – защитная диодная сборка Transil™, которая обеспечивает уровень защиты от быстрых переходных процессов до ±4 кВ (IEC 61000-4-4), защиту от электростатических разрядов (IEC 61000-4-2) до ±15 кВ (воздушный разряд) и ±8 кВ (контактный разряд), а также ±25 кВ (модель человеческого тела) согласно стандарту MIL 883 – Метод 3015-7, класс 3;
  • ETP01-2821 – защитная диодная сборка для линий Ethernet.

Сборка ESDA14V2BP6 не была разработана специально для защиты RS485, но она может быть использована для повышения помехозащищенности STR485. Проведенные испытания подтвердили, что при наличии ESDA14V2BP6 устойчивость приемопередатчика к EFT возросла до ±4 кВ для пачек импульсов 40 А (5/5 нс), в соответствии с IEC 61000-4-4 (рисунок 10).

Рис. 10. Схема защиты линий связи с помощью ESD14V2BP6

Рис. 10. Схема защиты линий связи с помощью ESD14V2BP6

Защитная диодная сборка ETPO1-2821 также позволяет защитить устройство от электростатических разрядов ±15 кВ (воздушный разряд) и ±8 кВ (контактный разряд), в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2, а также ±25 кВ (модель человеческого тела) согласно стандарту MIL 883 – Метод 3015-7, класс 3 (рисунок 11).

Рис. 11. Схема защиты линий связи с помощью ETP01-2821

Рис. 11. Схема защиты линий связи с помощью ETP01-2821

Оригинал

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
STR485LVQT (ST)
STR485ELVQT (ST)
ST485EBDR (ST)
ST485CDR (ST)
ST485BDR (ST)
ST485ECDR (ST)
ST485EXDR (ST)
ST485ABDR (ST)
ST485ERBDR (ST)
ST485ERXDR (ST)
ST485BN (ST)
ST485CN (ST)