Переклад Ігоря Бірюкова
У системах промислової автоматизації застосовується ряд віддалених пристроїв збору даних, які передають і приймають інформацію через центральний модуль, що надає доступ до даних як користувачам, так і іншим процесорам. Типовими елементами подібних систем є реєстратори даних і зчитувальні пристрої. Майже ідеальна лінія передачі даних для цих цілей визначена стандартом RS-485, який передбачає зв'язок пристрою збору даних кабелем на основі кручений пари.
Оскільки багато з пристроїв збору та накопичення даних в мережах RS-485 є компактними автономними пристроями на батарейках, для контролю за їх виділенням тепла і для збільшення терміну служби батарей необхідне прийняття заходів щодо зниження їх енергоспоживання. Точно так же економія енергії важлива для носяться пристроїв та інших додатків, що не мають інтерфейсу RS-485 використовується для завантаження даних в центральний процесор. Наступний розділ призначений в першу чергу для тих, хто не знайомий з RS-485.
RS-485: історія і опис
Стандарт RS-485 був спільно розроблений двома асоціаціями виробників: Асоціацією електронної промисловості (EIA - Electronics Industries Association) і Асоціацією промисловості засобів зв'язку (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA колись маркірувала всі свої стандарти префіксом «RS» (рекомендований стандарт). Багато інженерів продовжують використовувати це позначення, однак EIA / TIA офіційно замінив «RS» на «EIA / TIA» з метою полегшити ідентифікацію своїх стандартів. На сьогоднішній день різні розширення стандарту RS-485 охоплюють широке розмаїття додатків.
Стандарти RS-485 і RS-422 мають багато спільного, і тому їх часто плутають. У табл. 1 для порівняння наводяться характеристики цих стандартів. RS-485, що визначає двосторонню напівдуплексний передачу даних, є єдність- ним стандартом EIA / TIA, допускає множинні приймачі і драйвери в шинних конфігураціях. RS-422, з іншого боку, визначає єдиний односпрямований драйвер з множинними приймачами. Елементи RS-485 назад сумісні і взаємозамінні зі своїми двійниками з RS-422, проте драйвери RS-422 не повинні використовуватися в системах на основі RS-485, оскільки вони не можуть відмовитися від управління шиною.
Таблиця 1. Стандарти RS-485 і RS-422
виняток узгодження
Перший спосіб зменшення споживаної потужності полягає в тому, щоб взагалі усунути погоджують резистори. Цей варіант можливий тільки для коротких ліній зв'язку та низьких швидкостей передачі даних, які дозволяють відображенням заспокоїтися ще до того, як дані будуть оброблені приймачем. Як показує практика, узгодження не потрібно, якщо час наростання сигналу по крайней мере в чотири рази перевершує час затримки одностороннього проходження сигналу через кабель. Наступні кроки використовують це правило для обчислення максимальної допустимої довжини неузгодженого кабелю.- Для розглянутого кабелю необхідно знайти швидкість одностороннього проходження сигналу, зазвичай надається виробником кабелю як процентне відношення до швидкості світла у вільному просторі. Типове значення для стандартного кабелю в полівінілхлоридної ізоляції, що складається їх кручений пари # 24 AWG, становить 20,3 мм / нс.
- З специфікації приймача RS-485 знаходиться його мінімальний час наростання (tr min). Наприклад, для MAX3471 воно дорівнює 750 нс.
- Це мінімальний час наростання ділиться на 4. Для MAX3471 виходить tr min / 4 = 750/4 = 187,5 нс.
- На останньому етапі обчислюється максимальна протяжність кабелю, для якої не потрібно узгодження. Для MAX3471 вона дорівнює 187,5 нс (230 мм / нс) = 38 м.
Таким чином, MAX3471 може забезпечити пристойну якість сигналу без узгоджувальних резисторів при передачі і прийомі на швидкості 64 Кбіт / с по 38-метровому кабелю. Малюнок 4 демонструє, наскільки сильно знижується споживання MAX3471 при роботі на тридцятиметровий кабель без узгоджувальних резисторів в порівнянні з роботою на трьохсотметровий кабель і погоджують резистори.
RC-узгодження
На перший погляд, здатність RC-узгодження блокувати постійний струм є вельми багатообіцяючою. Однак цей спосіб накладає певні умови. Узгодження складається з послідовної RC-ланцюжка, включеної паралельно диференціальним входів приймача (A і B), як показано на рис. 5. Резистор R вибирають рівним хвильовому опору кабелю (Z0), а ємність конденсатора C визначається умовами функціонування пристрою. Велика величина C забезпечує гарне узгодження, дозволяючи будь-якому сигналом «бачити» R, яке відповідає Z0, однак при цьому збільшується пікове значення вихідного струму драйвера. На жаль, довгі кабелі вимагають більших значень ємності C. Цілі статті були присвячені визначенню номіналу C для досягнення компромісу між узгодженням і споживанням. Ви можете знайти детальні рекомендації з цього вибору в інструкціях, посилання на які наведені в кінці цієї статті.
Середня напруга сигналу - інший важливий фактор, який часто ігнорується при RC-погодженні. Якщо середня напруга сигналу не збалансоване за постійним струмом, це викличе значне тремтіння рівня сигналу на лінії через ефект, відомого як «міжсимвольні інтерференція». Простіше кажучи, RC-узгодження ефективно для зниження споживання, проте воно сприяє погіршенню якості сигналу. Таким чином, RC-узгодження накладає так багато обмежень на своє використання, що найкраща альтернатива в багатьох випадках - відсутність узгодження взагалі.
Узгодження на діодах Шотки
Діоди Шотки дозволяють реалізувати альтернативний попереднього метод узгодження, коли велика споживана потужність виявляється неприйнятною. На відміну від інших типів узгодження, опір узгоджувальних елементів (діодів Шотки) не відповідає хвильовому опору шини. Узгодження здійснюється за рахунок того, що діоди просто пригнічують позитивні і негативні викиди на фронтах імпульсів, викликані відбиттям. В результаті зміни напруги обмежені позитивним пороговим напругою і нулем.
Ланцюг узгодження на діодах Шотки даремно розсіює незначну енергію, оскільки провідність проявляється тільки при наявності позитивних і негативних викидів. З іншого боку, стандартне резистивное узгодження (як з резисторами захисного зміщення, так і без них) призводить до постійного розсіювання потужності. Малюнок 6 ілюструє використання діодів Шотки для боротьби з відбитками. Діоди не забезпечують отказоустойчивую роботу, однак рівні порогового напруги, обрані в приймач-MAX308X і MAX3471, дають можливість реалізувати отказоустойчивую роботу і з цим типом узгодження.
Діод Шотки, що є найкращим доступним наближенням до ідеального діода (нульове пряме напруга Vf, нульовий час включення tON і нульовий час зворотного відновлення trr), представляє великий інтерес в якості заміни енергоємних узгоджувальних резисторів. Недолік такого узгодження в системах на основі RS-485 / RS-422 полягає в тому, що діоди Шотки не можуть пригнічувати все відображення. Як тільки відбитий сигнал згасне нижче прямого напруги діода Шотки, його енергія залишиться незачепленою погоджують діодами і збережеться до тих пір, поки не буде розсіяна кабелем.
Головний недолік Шотки-термінатора - його вартість. Одна точка узгодження вимагає двох діодів. Оскільки шина RS-485 / RS-422 є диференціальної, це число множиться на два (рис. 6). Використання на шині множинних Шотки-термінаторів не є незвичайним. Термінатори на діодах Шотки дають багато переваг для систем на основі RS-485 / RS-422, і економія енергії - головне з них (рис. 7). Не потрібно нічого обчислювати, оскільки специфіковані обмеження для довжини кабелю і швидкості передачі даних будуть досягнуті раніше, ніж будь-які обмеження Шотки-термінатора. Інша перевага полягає в тому, що множинні Шотки-термінатори в різних відгалуженнях і на входах приймачів покращують якість сигналу без завантаження комунікаційної шини.
висновок
Коли швидкість передачі даних висока і кабель має велику довжину, в системі RS-485 важко забезпечити Надмалий споживання, оскільки виникає необхідність встановлювати на лінії зв'язку погоджують пристрої (термінатори). В цьому випадку приймач з функцією «істинної завадостійкості» на виходах приймачів можуть економити енергію навіть при використанні термінаторів, усуваючи потребу в резисторах захисного зміщення. Програмна організація зв'язку також дозволяє знизити споживану потужність, переводячи приймач у відключене стан або забороняючи драйвер, коли він не використовується.
Для більш низьких швидкостей і більш коротких кабелів різниця в енергоспоживанні величезна. Передача даних зі швидкістю 60 Кбіт / с по 30-метровому кабелю при використанні стандартного приймача SN75ALS176 зі 120-омнимі погоджують резисторами зажадає від системи електроживлення ток 70 мА. З іншого боку, використання MAX3471 при тих же самих умовах зажадає тільки 2,5 мА від джерела живлення.