№2 / 2015 / статья 4

RS-485 от TI: надежные решения для промышленных сетей

Алексей Пазюк (КОМПЭЛ)

Встроенная автокорректировка полярности сигнала, поддержка до 256 устройств на одной линии, защита от ESD при напряжении пробоя до 16 кВ, ток потребления от 10 нА в спящем режиме, скорость передачи данных до 50 Мбит/с, возможность работы с микроконтроллерами с низким напряжением питания – все это особенности новых микросхем приемопередатчиков интерфейса RS-485 производства Texas Instruments.

При проектировании промышленных систем автоматизации и сбора информации перед разработчиком нередко стоит вопрос создания сети для надежной передачи данных на большие расстояния в условиях повышенного уровня внешних шумов. В большинстве случаев для решения таких непростых задач используют симметричные цифровые интерфейсы. Наиболее распространенными интерфейсами этого типа можно назвать RS-485 и CAN. Остановимся на особенностях использования в таких системах новых приемопередатчиков производства Texas Instrumensts для интерфейса RS-485.

Общие сведения о стандарте RS-485

RS-485 (EIA/TIA-485-A) – стандарт передачи цифровых данных посредством симметричного интерфейса, разработанный для решения ограничений, присущих несимметричному интерфейсу TIA/EIA-232. Первая ревизия стандарта была опубликована в 1983 году, но и по сегодняшний день RS-485 широко используется в промышленных системах, требующих экономичной и надежной связи между двумя и более устройствами.

Среди основных особенностей стандарта RS-485-, послуживших его широкому распространению, стоит отметить следующие:

  • высокая скорость передачи данных – до 50 Мб/с;
  • большая дальность между соединяемыми устройствами – до 1200 метров;
  • повышенная помехоустойчивость за счет использования симметричного метода передачи данных;
  • одновременное подключение нескольких устройств к одной линии;
  • двусторонний обмен данными по одной витой паре проводов.

Возможность передачи данных посредством стандарта RS-485 на скоростях от минимально возможных до 50 Мбит/с, а также возможность организовать передачу данных на километровые расстояния на малых скоростях достигается за счет использования витой пары и малой восприимчивости к шумам дифференциальной линии, а также благодаря широкому диапазону рабочих синфазных напряжений.

В отличие от многих других стандартов для передачи информации по симметричному каналу с помощью дифференциального сигнала, стандарт RS-485 определяет только физический уровень передаваемых сигналов. Описание протокола обмена выходит за рамки описания стандарта, поэтому для создания систем сбора и передачи информации поверх стандарта RS-485- необходимо использовать дополнительный протокол высокого уровня. Примером таких протоколов могут служить RS-232, PROFibus, ModBus, DCON и тому подобные.

С помощью же самого трансивера интерфейса RS-485-можно выполнить только следующие функции:

  • преобразование входной цифровой последовательности в выходной дифференциальный сигнал;
  • передача сигнала в симметричную линию;
  • подключение или отключение передатчика по сигналу высшего протокола;
  • прием сигнала с линии связи.

Микросхемы Texas Instruments для реализации RS-485

На сегодняшний день в каталоге компании Texas Instruments можно найти более 200 различных микросхем, предназначенных для реализации интерфейса RS-485. Большинство трансиверов RS-485, выпускаемых Texas Instruments, не только удовлетворяет требования стандарта, но, благодаря своим дополнительным свойствам, позволяет расширить стандартный функционал. К дополнительным свойствам трансиверов интерфейсов RS-485-TI можно отнести увеличенный диапазон входных синфазных напряжений, улучшенную защиту от воздействия ESD, гальваническую развязку и так далее (рисунок 1).

Рис. 1. Функциональные особенности трансиверов Texas Instruments

Рис. 1. Функциональные особенности трансиверов Texas Instruments

Далее остановимся подробнее на нескольких новых представителях трансиверов RS-485, производства TI с дополнительным функционалом: SN65HVD888, SN65HVD01, SN65HVD147x, SN65HVD7x.

Автокоррекция полярности сигнала

Для корректной работы сети важно не только качество и надежность устройств, входящих в него, но и правильность подключения этих устройств с помощью внешних кабелей. При неправильном подключении проводов (например, при перепутанной полярности) устройство не сможет корректно передавать и получать информацию. На сегодняшний день в линейке TI имеется решение, которое дает возможность упростить процесс установки сетей RS485 и исключить ошибки, связанные с некорректным подключением витой пары к устройству. Для этого предлагается использовать SN65HVD888 – трансивер с автокоррекцией полярности сигнала и повышенными ESD-свойствами.

Основной особенностью SN65HVD888 является встроенная автокорректировка полярности сигнала, приходящего по шине данных. Кроме этого, SN65HVD888 имеет широкий диапазон входных напряжений по сигнальным входам (-18…18 В) и повышенный уровень ESD-защиты (16 кВ HBM). Микросхема обеспечивает полудуплексный режим передачи данных на скоростях 300 бит/с…250 кбит/с в диапазоне температур -40…85°С. Микросхема выполнена в стандартном корпусе SOIC, что позволяет использовать ее на стандартных платах. Для решений, где важно малое энергопотребление, микросхема SN65HVD888 позволяет перевести ее в энергосберегающий режим с помощью внешних сигналов. В этом случае питание от большей части внутренних схем отключается, и потребление составляет менее 400 нА. Для перехода в режим с малым энергопотреблением приемник и передатчик должны быть отключены (DE = «0», /RE = «1»). Чтобы гарантированно перевести устройство в режим с малым потреблением, длительность сигналов требуемых уровней должна быть подана на временной интервал не менее 300 нс. Также стоит отметить, что в отличие от стандартных микросхем интерфейса RS-485, SN65HVD888 может поддерживать подключение до 256 устройств к одной линии.

Отдельно остановимся на процессе корректировки полярности. С помощью встроенного блока автокоррекции трансивер определяет неправильную полярность входных сигналов на шине данных и не требует дополнительных действий для дальнейшей корректной работы интерфейса. Приемопередатчик SN65HVD888 можно использовать в двух схемах включения: с использованием только резисторов защиты от сбоев либо с теми же резисторами и дополнительными резисторами дифференциальной нагрузки. Вариант использования резисторов защиты от сбоев (RFS), совместно с резистором нагрузки (RT), показан на рисунке 2.

Рис. 2. Типовая шина данных с применением корректировки полярности

Рис. 2. Типовая шина данных с применением корректировки полярности

Для корректировки полярности входного сигнала в случае переполюсовки на шине данных при помощи SN65HVD888 необходимо выполнение трех условий:

  • наличие цепочки смещения для определения полярности сигнала в случае аварии (обычно на мастер-устройстве);
  • активация приемника и отключение передатчика на ведомом устройстве (/RE = DE = «0»);
  • установка режима ожидания более tFS-max = 76 мс на шине данных.

Автокорректировка будет завершена и применена к приемнику и передатчику по окончании времени защиты от сбоев (tfs) только при соблюдении всех вышеперечисленных условий. Состояние полярности линии прописывается в триггер трансивера и используется для последующей передачи данных. Следует также отметить, что во избежание ложной корректировки длительность пакетов с последовательными «0» или «1» не должна превышать tFS-min = 44 мс.

На рисунке 2 показано типовое подключение трансиверов RS-485 к шине данных. В показанном примере возле ведущего устройства реализовано резистивное смещение (RFS, RT), которое определяет полярность сигнала на шине данных, поэтому применение обычного трансивера, такого как SN65HVD82, будет достаточным. Во всех других устройствах, требующих корректировки полярности, применен SN65HVD888. Для данной схемы включения перед передачей данных трансивер ведущего устройства должен находиться в режиме ожидания не менее времени tFS-max, для чего уровни сигналов на выводах /RE и DE должны быть низкими; после этого мастер может передавать данные. За время tFS-max все устройства, использующие автокорректировку, запомнят необходимое состояние и в дальнейшем будут использовать его для приема и передачи ведомым устройством. Процесс автокорректировки повторяется каждый раз, когда включается ведомое устройство и обнаруживается неправильная полярность.

Гарантированные 30 кВ HBM ESD

Для обеспечения повышенной надежности систем с использованием интерфейса RS-485 все чаще требуется обеспечение повышенных уровней ESD-защиты. Для этого в устройствах к стандартным микросхемам интерфейсов добавляют на входе дополнительные компоненты. В новых трансиверах SN65HVD147x и SN65HVD7x повышенная устойчивость к ESD-воздействию заложена на уровне самой микросхемы. Новые полнодуплексные трансиверы семейства SN65HVD147x и SN65HVD7x обладают наилучшими параметрами по ESD-защите среди микросхем трансиверов интерфейса RS-485, представленных в линейке компании Texas Instruments.

Основное отличие между семействами SN65HVD147x и SN65HVD7x – это то, что семейство SN65HVD147x обеспечивает защиту от ESD при больших значениях пробивного напряжения. Так, согласно стандарту IEC61000-4-2, SN65HVD7x обеспечивает защиту на уровнях до 12 кВ, тогда как SN65HVD147x гарантирует защиту до уровней 16 кВ. То же касается и уровней HBM ESD – для SN65HVD7x они составляют 30 кВ, тогда как для SN65HVD147x они могут достигать значений до 40 кВ. В остальном параметры представленных семейств похожи между собой. Микросхемы имеют малый собственный ток потребления – менее 1 мА в активном режиме и от 10 нА в спящем. Максимальная скорость передачи в микросхемах рассматриваемых семейств зависит от исполнения и может быть от 400 кбит/с (SN65HVD1470, SN65HVD1471, SN65HVD70, SN65HVD71) до 50 Мбит/с (SN65HVD1476, SN65HVD1477, SN65HVD76, SN65HVD77). Расширенный рабочий температурный диапазон -40…125°С с гистерезисом приемника 70 мВ позволяют обеспечить устойчивую работу устройств в жестких условиях. Также для обеспечения надежности передачи данных в микросхемы интегрирована функция защиты от сбоев приемника. Встроенная функция защиты от сбоев позволяет обеспечить предсказуемое поведение выходного сигнала приемника в случае обрыва или замыкания на линии, а также в режиме ожидания. Во всех приведенных выше случаях приемник обеспечит напряжение высокого уровня на своем выходе даже при наличии на линии шумов порядка 120 мВпп. Как и многие другие трансиверы RS-485-интерфейса, выпускаемые Texas Instruments, микросхемы рассматриваемых семейств могут обеспечить подключение до 256 устройств к шине данных. Трансиверы доступны как в стандартном SOIC-корпусе, так и малом MSOP. Отдельно стоит отметить, что при собственном напряжении питания 3,3 В, микросхемы могут работать с логическими уровнями 5 В, поступающими на вход данных. Это дает возможность совместной работы с микроконтроллерами, имеющими напряжение питания до 5 В.

При использовании микросхем семейств SN65HVD147x и SN65HVD7x следует учитывать, что, несмотря на высокий уровень ESD-защиты, для надежной защиты от импульсных помех высокой мощности должны использоваться дополнительные внешние элементы (рисунок 3).

Рис. 3. Схема защиты от импульсных помех

Рис. 3. Схема защиты от импульсных помех

Интерфейс с низковольтной логикой и другие полезные особенности

Для устройств, где необходимо подключение по интерфейсу RS-485 при наличии низковольтной логики, хорошим решением может стать применение SN65HVD01.

SN65HVD01 – трансивер, обеспечивающий полудуплексный режим передачи данных с возможностью подключения стандартной шины данных RS-485 к микроконтроллерам с низким напряжением питания. Данное решение достигается за счет использования двух отдельных выводов для подачи напряжения питания на шину данных и внутреннюю логику управления. Так, для обеспечения необходимых уровней напряжений и токов, в шине данных используется питание Vcc в диапазоне напряжений 3,0…3,6 В, питание же схемы логики обеспечивается отдельным питанием VL в диапазоне напряжений 1,6…3,6 В. Использование отдельного вывода питания VL позволяет обойтись без дополнительных преобразователей уровней при подключении к микроконтроллерам и ПЛИС с низким напряжение питания и дает возможность уменьшить общее энергопотребление системы (рисунок 4). Стоит также отметить возможность выбора максимальной частоты передачи данных по шине данных с помощью отдельного вывода управления SLR. Так, установив на SLR уровень логической единицы, мы ограничиваем скорость передачи данных до 250 кБит/с. При подаче на вывод SLR уровня GND максимально возможная скорость увеличивается до 20 Мбит/с. Микросхема SN65HVD01 выпускается в корпусе SON и обеспечивает функциональность в расширенном температурном диапазоне -40…25°С. Среди других отличительных особенностей SN65HVD01 стоит отметить наличие встроенного блока защиты от сбоев и высокий уровень защиты по ESD.

Рис. 4. Типовое применение SN65HVD01

Рис. 4. Типовое применение SN65HVD01

 

Заключение

Существующий арсенал решений от Texas Instruments позволяет организовать сети с использованием интерфейса RS-485 для различных технических условий. Повышенные уровни защиты по ESD, совместно с расширенным уровнем входных сигналов, позволяют обеспечить надежную защиту от внешнего воздействия, а дополнительные функции, такие как автокоррекция полярности и управление максимальной скоростью передачи, позволяют обеспечить гибкость в настройке системы. Какое бы решение не требовалось, будь то обеспечение высокой скорости передачи данных или создание соединений на большие расстояния, решения Texas Instruments обеспечат надежный канал с одним из наилучших уровней ESD-защиты.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_SN65HVD888_NE_02_15_opt

SN65HVD82 – надежный приемопередатчик RS-485

SN65HVD82_fmtСреди многообразия существующих решений для RS-485-интерфейса микросхемы Texas Instruments отличаются повышенной надежностью для построения промышленных сетей. Ярким примером таких микросхем является SN65HVD82.

SN65HVD82 – дифференциальный приемопередатчик, предназначенный для полудуплексной передачи данных согласно стандарту RS-485 при напряжении питания 5 В в диапазоне температур -40…85°С. По уровню защиты выводов шины данных микросхема обеспечивает защиту от воздействия следующих уровней: ±16 кВ (модель человеческого тела), ±12 кВ, согласно МЭК 61000-4-2 (по методу контактного разряда), +4 кВ, согласно МЭК 61000-4-4 (устойчивость к импульсным помехам). Соответствие указанным выше стандартам позволяет обеспечить надежность в крайне зашумленной обстановке. Помимо высоких показателей по защите сигнальных выводов от внешних воздействий, приемопередатчик обеспечивает высокое качество и надежность передачи сигнала по шине данных. Характеристиками, позволяющими добиться надежности передачи данных, являются достаточно высокий уровень гистерезиса приемника, смещенный порог срабатывания и широкий диапазон входных синфазных напряжений.

Смещенный порог срабатывания (-20 мВ) плюс гистерезис приемника (порядка 60 мВ) обеспечивают уровень невосприимчивости к дифференциальному шуму до 160 мВп-п. Кроме этого, благодаря внутреннему смещению порога срабатывания приемника, обеспечивается однозначность данных в случае обрыва, короткого замыкания и в режиме ожидания на линии. Во всех трех вышеуказанных случаях на выходе приемника будет заранее определенное состояние логической «1», тем самым исключается необходимость использования внешних резисторов для определения уровней и сводится к минимуму наличие случайных импульсов.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее