ST485: приемопередатчик RS-485 с пониженным уровнем ошибок

25 февраля

системы безопасностиучёт ресурсовавтоматизацияST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемы

Характерные особенности приемопередатчика ST485 производства STMicroelectronics – полудуплексная передача данных с помощью дифференциальных сигналов, защита драйвера передатчика от короткого замыкания и защита от неопределенного состояния на входе. Типовым применением приемопередатчиков ST485 являются сети, объединяющие до 32 узлов.

ST485 – это трансивер RS-485, предназначенный для создания многоточечных сетей с передачей данных по одной общей витой паре с помощью дифференциальных сигналов. ST485 позволяет выполнять полудуплексный двунаправленный обмен данными, работать с большими длинами шин и обеспечивать высокую скорость передачи. Типовыми областями применения для ST485 становятся локальные сети, промышленные, автомобильные и компьютерные интерфейсы. Развитие систем передачи данных приводит к созданию новых трансиверов, способных обеспечить более высокую скорость передачи и меньший уровень ошибок. Все это в полной мере относится к ST485.

Функциональные возможности

На рисунке 1 показана внутренняя структура ST485. Входы приемника и выходы передатчика объединены внутри микросхемы, поэтому обмен данными может иметь только полудуплексный характер. Управляющие входы RE и DE используются для включения приемника или передатчика соответственно. Так как сигнал со входа RE дополнительно инвертируется внутри микросхемы, то  выводы RE и DE часто объединяются. Выводы RO, DI, RE и DE работают с сигналами TTL-уровня, а линии A и B – с дифференциальными сигналами. Как уже было сказано выше, дифференциальный вход приемника внутри микросхемы соединен с дифференциальным выходом драйвера передатчика.

Рис. 1. Внутренняя структура ST485

Рис. 1. Внутренняя структура ST485

Напряжение питания микросхемы Vcc составляет 5 В, типовое потребление – менее 0,5 мА без нагрузки, а скорость передачи данных превышает 10 Мбит/с.

Основные особенности

Наиболее важными параметрами приемопередатчиков RS-485 являются:

  • Гистерезис приемника. В данном случае гистерезис составляет ±200 мВ. Наличие гистерезиса существенно повышает уровень помехоустойчивости.
  • Входное сопротивление. Подключить множество трансиверов к общей шине можно только в том случае, если их входное сопротивление будет достаточно высоким. Входное сопротивление Rin для ST485 превышает 40 кОм, что позволяет подключать к шине более 32 приемопередатчиков.
  • Синфазное напряжение приемника VCM, которое определяется как среднее арифметическое напряжений на дифференциальных входах: VCM = (VA + VB)/2. Для стандарта RS-485 допустимый диапазон синфазного напряжения составляет -7…+12 В. Устойчивость к синфазному напряжению VCM позволяет различным приемопередатчикам правильно работать, даже если разность потенциалов между их землями составляет до ±7 В (рисунок 2).
  • Выходное дифференциальное напряжение передатчика. Оно зависит от выходного тока драйвера и нагрузки шины RLOAD. Это напряжение должно быть больше 1,5 В при нагрузке 27 Ом.
  • Защита драйвера передатчика от короткого замыкания. Эта функция призвана защитить трансиверы от ситуации, когда сразу несколько передатчиков пытаются передать информацию по шине, что вызывает конфликт. ST485 ограничивает ток короткого замыкания до 70 мА, обеспечивая защиту всей линии.

Рис. 2. Устойчивость к воздействию синфазных напряжений

Рис. 2. Устойчивость к воздействию синфазных напряжений

Преимущества дифференциальной линии

Зачем нужна дифференциальная передача данных?

Во-первых, даже при использовании витой пары на передаваемые сигналы неизбежно накладываются различные шумы и помехи. При дифференциальной передаче на обеих дифференциальных линиях A и B наводятся одинаковые помехи, они взаимовычитаются и, в идеале, суммарная помеха оказывается равной нулю. На рисунке 3 показаны зашумленные сигналы на входах A и B ST485, измеренные относительно земли; CH1 = вход A, CH2 = вход B, CH4 = выход приемника. Как видно из осциллограммы на выходе приемника, синфазная помеха отсутствует. 

Рис. 3. Синфазный шум, наведенный на дифференциальные линии ST485

Рис. 3. Синфазный шум, наведенный на дифференциальные линии ST485

Во-вторых, при использовании обычных несимметричных сигналов разница между напряжениями логических уровней «1» и «0» оказывается меньше, чем при работе с дифференциальными сигналами. Из таблицы 1 и рисунка 4 видно, что при использовании напряжения питания Vcc = 5 В разница напряжений дифференциальных сигналов составляет 10 В (без нагрузки). Очевидно, что при наличии нагрузки (120 Ом для витой пары или 54 Ом для экранированного кабеля) разница напряжений будет меньше.

Рис. 4. Несимметричные и дифференциальные сигналы

Рис. 4. Несимметричные и дифференциальные сигналы

Таблица 1. Несимметричные и дифференциальные сигналы

Логический уровень Несимметричные сигналы Дифференциальные сигналы Разница потенциалов в дифференциальной линии (VA – VB)
0 Vout = 0 В Vout: A = 0 В; B = 5 В Vdiff = 0 В – 5 В = -5 В
1 Vout = 5 В Vout: A = 5 В; B = 0 В Vdiff = 5 В – 0 В = +5 В

Особенности применения

Типовым применением приемопередатчиков ST485 являются сети, объединяющие до 32 узлов. В большинстве случаев согласующие резисторы (терминаторы) в таких сетях подключены только на концах шины (рисунок 5), а их сопротивление зависит от полного сопротивления линии (54 Ом или 120 Ом). Чтобы избежать проблем с передачей данных, длина отводов при подключении узлов к шине не должна превышать 15 см (6 дюймов).

Рис. 5. Типовая структура сети RS-485

Рис. 5. Типовая структура сети RS-485

Чтобы избежать проблем с отражениями сигналов, следует использовать только линейную топологию сети и отказаться от ветвлений и длинных отводов. На рисунке 6 представлены удачные (6б и 6г) и неудачные варианты топологии сети (6a и 6в).

Рис. 6. Типовые сетевые топологии

Рис. 6. Типовые сетевые топологии

Рекомендации

Стабилизация выходного напряжения VCM

Чтобы обеспечить высокое качество сигналов при больших длинах кабеля или высоких скоростях обмена, рекомендуется использовать особую конфигурацию терминаторов, как показано на рисунке 7. Такая конфигурация позволяет отфильтровать выходное напряжение VCM и снизить уровень синфазных помех.

Рис. 7. Особая конфигурация терминаторов позволяет улучшить качество сигналов за счет дополнительной фильтрации синфазных помех

Рис. 7. Особая конфигурация терминаторов позволяет улучшить качество сигналов за счет дополнительной фильтрации синфазных помех

Уменьшение потребления за счет AC-терминатора

Использование в качестве терминаторов обычных согласующих резисторов приводит к увеличению потребляемой мощности. При необходимости минимизации потребляемого тока рекомендуется использовать альтернативную конфигурацию терминаторов, представленную на рисунке 8. Сопротивление резистора R зависит от импеданса линии и обычно составляет 120 Ом для витой пары. Емкость C зависит от длины кабеля и от полного сопротивления линии Z0. Емкость должна быть рассчитана таким образом, чтобы не вызывать короткого замыкания при передаче данных. Однако стоит отметить, что предлагаемая конфигурация ограничивает скорость передачи данных, так как она, по сути, представляет собой фильтр нижних частот. Таким образом, использование последовательной R-C-цепочки будет полезно для сетей со средней скоростью передачи данных.

Рис. 8. Использование AC-терминатора позволяет снизить уровень потребления

Рис. 8. Использование AC-терминатора позволяет снизить уровень потребления

Защита от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination)

ST485 имеет схему защиты от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination). Такое состояние может возникнуть, например, если все драйверы, подключенные к шине, находятся в режиме приема, то есть в высокоимпедансном состоянии. Встроенная схема защиты ST485 позволяет избежать неопределенного состояния приемника и поддержать стабильный логический уровень, пока входное дифференциальное напряжение не превысит ± 200 мВ. Однако встроенной схемы защиты не всегда достаточно. Дело в том, что работа встроенных подтягивающих резисторов блокируется при наличии внешних терминаторов (54 ÷ 120 Ом). Для защиты от неопределенного состояния на входе при наличии согласующих резисторов требуется дополнительная внешняя подтяжка. Типовой пример такой схемы представлен на рисунке 9. Сопротивления резисторов Ra (подтяжка к питанию) и Rc (подтяжка к земле) должны составлять 500 Ом, а сопротивление согласующего резистора Rb – 130 Ом.

Рис. 9. Защита от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination)

Рис. 9. Защита от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination)

Дополнительные подтягивающие резисторы увеличивают потребление и уменьшают допустимое число узлов на шине. На рисунке 10 представлена схема, позволяющая частично решить данную проблему.

Рис. 10. Совместное использование защиты от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination) и AC-терминатора

Рис. 10. Совместное использование защиты от неопределенного состояния на входе (Fail Safe Termination) и AC-терминатора.

Оригинал статьи

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
ST485EBDR (ST)
ST485BDR (ST)
ST485CDR (ST)
ST485ECDR (ST)
ST485EXDR (ST)
ST485ABDR (ST)
ST485ERBDR (ST)
ST485ERXDR (ST)
ST485BD (ST)
ST485ERBD (ST)
ST485EXD (ST)
ST485CDRPBF (ST)
ST485EBN (ST)
ST485BN (ST)
ST485CN (ST)
ST485ERBN (ST)
ST485CD (ST)
ST485EBD (ST)
ST485ECN (ST)