Новое для привычного стандарта: драйверы RS-485 от MAXIM
Интерфейс RS-485 используется уже много лет, но продолжает успешно развиваться. Компания Maxim Integrated выпускает широкую номенклатуру семейств драйверов RS-485, среди которых можно найти различные современные решения даже для самого требовательного разработчика.
Интерфейс RS-485 (EIA/TIA-485) Differential Data Transmission System Basics (http://www.tiaonline.org/), который сокращенно называют RS-485 (Recommended Standard 485), использует симметричную передачу сигнала и может передавать данные как в режиме «точка-точка», так и в режиме шинной топологии. Данный интерфейс может работать в дуплексном (full-duplex) и полудуплексном (half-duplex) режимах. Разница между этими режимами заключается в том, что у полудуплексного режима передача данных в обоих направления ведется по одному информационному каналу, то есть можно либо принимать информацию, либо передавать, а в дуплексном режиме прием и передача информации происходят по разным каналам связи и обмен данными может осуществляться одновременно (рисунок 1).
Рис. 1. Примеры а) полудуплексного; б) дуплексного подключения
Информация в RS-485 передается разницей потенциалов между сигнальными линиями А и В для полудуплексного режима, и между дополнительными линиями Y и Z – для дуплексного. Если на вход приемника поступает разница потенциалов более 200 мВ, то состояние линии связи считается выключенным (space), если менее – 200 мВ – то включенным (mark) (рисунок 2).
Рис. 2. Пример передачи информации в полудуплексном режиме
Диапазон -200…200 мВ является гистерезисом, то есть на изменения в диапазоне между этими значениями система не должна реагировать.
Некоторые свойства RS-485:
- максимальная скорость передачи данных до 10 Мбит/с сильно зависит от расстояния передачи. Это заявленная скорость стандарта, но некоторые драйверы RS-485 производства компании Maxim Integrated способны работать на скоростях в несколько раз быстрее;
- максимальная длинна линии – 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии больше 1200 м или подключить большее количество устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика – применяют специальные повторители (репитеры);
- в одном сегменте сети – до 32 приемопередатчиков;
- в один момент может быть активен только один передатчик;
- максимальное количество узлов в сети – 256 вместе с магистральными усилителями;
- допустимый диапазон входных напряжений – -7…12 В.
- максимальный ток короткого замыкания – 250 мА;
- допустимое сопротивление нагрузки передатчика – 54 Ом;
- входное сопротивление приемника – 12 кОм.
Интерфейс RS-485 является самым распространенным физическим уровнем для создания информационных сетей. Его основные достоинства – простота реализации, хорошая помехозащищенность, надежный обмен данными на длинных линиях связи и высокая скорость передачи данных (рисунок 3). Все это делает данный интерфейс востребованным во многих сферах деятельности.
Рис. 3. Пример построения сети RS-485 в полудуплексном режиме
На основе интерфейса RS-485 строят многоточечные линии связи типа «общая шина». Основные протоколы обмена информацией данного интерфейса: ModBus, ProfiBus DP, LanDrive и так далее. Каждый протокол имеет свои особенности обмена между устройствами. Интерфейс RS-485 используется для управления процессами: в производстве, энергетике, промышленности и других областях. Существует множество датчиков, которые используют этот интерфейс для передачи таких параметров как температура, влажность, давление. Также его используют современные системы охранно-пожарных сигнализаций. Иногда посредством RS-485 подключают только два устройства (конфигурация «точка-точка»). Такой тип подключения применяют для устройств, которые не поддерживают адресацию, или для устройств, расположенных далеко друг от друга. Нередко RS-485 выбирают для связи с устройствами беспроводной передачи данных, что позволяет организовать надежный и скоростной обмен информацией, поступающей по интерфейсу RS-485 через Wi-Fi- или GSM-сеть. Использование беспроводной передачи данных существенно расширяет область применения устройств, которые имеют только интерфейс RS-485. Это позволяет встраивать их в современные системы сбора и передачи данных. Производителю можно не беспокоиться, его устройство будет еще долго оставаться актуальным и современным.
Информационная сеть, построенная с использованием интерфейса RS-485, делает систему защищенной и бюджетной в реализации, что является конкурентным преимуществом для производителей. Если на рынке присутствуют два устройства с практически одинаковыми характеристиками -заказчик выберет решение, более привлекательное по цене. Производители микросхем RS-485 регулярно выпускают новые современные семейства, развивая этот сегмент рынка. Все это говорит о том, что интерфейс RS-485 будет востребован еще многие годы.
Главная задача любой линии связи – надежное обеспечение взаимодействия между приемником и передатчиком. Идеальная линия связи должна функционировать на бесконечно длинной протяженности и на мгновенной скорости вне зависимости от различных помех. Но, к сожалению, в физическом мире это невозможно. Всегда есть ограничения: если скорость передачи высока – то линия связи коротка и так далее.
Жесткие условия эксплуатации диктуют все новые и новые требования к защите интегральных микросхем. Например, на длинной линии может возникнуть и вывести всю систему из строя синфазное напряжение больших значений. Для защиты такой линии необходима гальваническая развязка. Раньше к драйверу приходилось дополнительно добавлять гальваническую развязку линии, что делало систему и более громоздкой и дорогой. В процессе разработки устройства борьба идет за каждый цент и миллиметр, поэтому лучше воспользоваться интегральным решением. Компания Maxim Integrated предлагает приемопередатчики RS-485 с интегрированной гальванической изоляцией до 5000 Vrms (60 с) и защитой от электростатического разряда до ±35 кВ.
В борьбе за хорошую помехозащищенность нельзя рассчитывать только на встроенную защиту драйверов, также важно не забывать про качество самой линии связи, использовать экранированную витую пару, заземлять устройства и так далее. Только комплексные меры защиты линии обеспечат необходимую надежность всей системы. Синфазное напряжение – далеко не единственная опасность. Не менее опасны электростатические и радиочастотные помехи. Бывают случаи, когда включенная рация полностью рушит обмен в линии связи. Чтобы этого не допустить, надо очень ответственно подойти к выбору компонентов. Некоторые дешевые драйверы сомнительных производителей, которые заявляют о наличии защиты, по факту ее не обеспечивают.
Также негативно скажется на помехозащищенности отсутствие гистерезиса ±200 мВ. Некоторые производители делают гистерезис ±15 мВ, что категорически недопустимо. Бороться с данным видом недостатков можно только выбрав производителя, который гарантирует параметры микросхем, указанные в документации.
Для промышленных систем связи важна не только защита от различных помех, но и диагностика, и защита на случай аварии. Например, на важных объектах новые устройства подключаются к информационной сети без ее отключения. Эта особенность подключения опасна выводом из строя всей сети в том случае, если устройства не имеют защиты. Выход из строя возможен из-за ошибки в монтаже или при коротком замыкании. Избежать этого позволит применение микросхем с защитой, которая выдержит воздействие напряжения до ±80 В, что, например реализовано в MAX13442E/MAX13443E.
Компания Maxim Integrated выпускает большое количество драйверов RS-485, среди которых есть драйверы с функциями AutoDirection Control и Automatic Polarity Correction.
Функция AutoDirection Control автоматически определяет передачу без дополнительного сигнала переключения, что может быть очень полезным решением. Она позволяет сэкономить место на печатной плате и снизить стоимость за счет отсутствия гальванической развязки неиспользуемого вывода. Использовать данную функцию очень просто – объединяются два вывода -RE и -SHDN и через резистор 1…2 кОм подключаются к плюсу питания микросхемы. Функция AutoDirection Control реализована в семействе MAX13487E/MAX13488E (рисунок 4).
Рис. 4. Функциональная схема MAX13487E/MAX13488E
Функция Automatic Polarity Correction (автоматическая коррекция полярности подключения) реализована в семействе MAX14781E (рисунок 5). Она автоматически корректирует полярность подключения линии и вместе с повышенной защитой от электростатических воздействий позволяет избежать множества проблем из-за ошибок в монтаже линии.
Рис. 5. Функциональная схема MAX14781E
В полудуплексных и дуплексных линиях, построенных на RS-485, особенно – при большой длине и высоких скоростях передачи данных, необходимо согласовать линию, установив в конце резистор (терминатор). Обычно для линий RS-485 номинал резистора составляет 120 Ом, реже – 100 Ом. У компании Maxim Integrated в семействе MAX13450E/MAX13451E (рисунок 6) резисторы встроены в драйвер, что позволяет отказаться от внешних резисторов. Также преимущество данного семейства заключается в регулируемом ограничении скорости нарастания/спада фронтов. При необходимости данная функция поможет улучшить электромагнитную совместимость устройства. В этом семействе имеется дополнительный вывод VL. Подав на него напряжение до 1,62 В от плюса питания (4,5…5,5 В) микросхемы, можно согласовать данный драйвер с различными микросхемами, которые используют другие напряжения. Кроме того, данное семейство имеет отдельный выход FAULT, сигнализирующий о неисправности в случае короткого замыкания в схеме, а система дополнительной диагностики всегда очень ценится потребителями. Данное семейство имеет автомобильный диапазон рабочих температур -40…125°C и тепловую защиту, срабатывающую при температуре 150°C.
Рис. 6. Функциональная схема MAX13451E
Для кого-то решающим фактором в выборе драйвера будут минимальные габариты микросхемы, которые позволят сэкономить как можно больше места на печатной плате. В таком случае следует обратить внимание на MAX13430E/MAX13433E. Это одни из самых маленьких промышленных приемопередатчиков RS-485 в миниатюрных корпусах μDFN/TDFN (3х3 мм). Данное семейство отличается не только минимальными размерами, но и возможностью гибкого конфигурирования интерфейса. Так же, как и MAX13451E, это семейство имеет вывод VL, но отличается широким диапазоном питания 3…5 В и улучшенными возможностями по ограничению скорости нарастания/спада фронтов, что обеспечивает безошибочную передачу данных на несогласованных линиях. MAX13430E/MAX13433E имеет надежную защиту от высоковольтных электростатических разрядов ±30 кВ (HBM), а также входы так называемой «горячей» замены, диапазон рабочих температур -40…85°C и тепловую защиту. В итоге данная микросхема, несмотря на свою миниатюрность, по функциям может сравниться с более крупными собратьями.
Все современные промышленные сети должны быть быстродействующими (HighSpeed Data). Ориентируясь на этот критерий, выбрать драйвер достаточно просто. Большинство современных драйверов производства компании Maxim Integrated, например, MAX14938/MAX14939 и MAX3483AE/MAX3485AE, поддерживают скорость передачи данных до 20 Мбит/с, а MAX14853/MAX14855 – до 25 Мбит/с. Многие разработчики справедливо отметят, что большинство сетей, построенных на RS-485, работает на меньших скоростях, но в условиях помех быстродействие драйвера гарантирует надежность передачи информации. Если линия устойчиво функционирует на скорости 25 Мбит/с, то при обмене по классическому протоколу ModBus на скорости 115 кбит/с в обмене не должно быть никаких затруднений даже в условиях недружественной электромагнитной обстановки.
Компания Maxim Integrated успешно развивает семейства драйверов RS-485 и выводит на рынок все более надежные и быстродействующие микросхемы. Чем больше функций интегрировано в микросхему, тем меньше потребуется места на печатной плате. Это поможет сэкономить на дополнительных элементах, а также на размерах печатной платы. Интегральным решением можно снизить себестоимость изделия и в то же время повысить его надежность. Простой пример: если делать гальваническую развязку на оптронах или трансформаторах, то обеспечить 5000 Vrms и сохранить при этом высокую скорость передачи данных нелегко. Поэтому разработчику лучше выбирать комплексное решение.
Основные характеристики новых микросхем:
- гальваническая развязка: до 5000 Vrms;
- защита от электростатического разряда: до ±35 кВ;
- высокая скорость передачи данных: до 25 Мбит/с;
- работа в дуплексном и полудуплексном режимах;
- возможность подключения к PROFIBUS;
- встроенный LDO-стабилизатор;
- встроенный драйвер трансформатора;
- защита приемопередатчика от короткого замыкания;
- диапазон рабочих температур: -40…125°C.
Новые семейства микросхем со встроенной гальванической изоляцией
MAX14938/MAX14939 – это семейство со встроенной гальванической изоляцией 2750 Vrms (60 c), с напряжением питания Vdda 1,71…5,5 В и Vddb 4,5…5,5 В, защитой от электростатических разрядов ±35 кВ (ESD), встроенным LDO-стабилизатором и максимальной скоростью передачи данных 20 Мбит/с. Данное семейство гарантирует высокую надежность системы (рисунок 7). Встроенный LDO-стабилизатор обеспечивает работу приемопередатчика в широком диапазоне нестабилизированных напряжений (4,68…14 В), что существенно упрощает питание разрабатываемой системы. MAX14938/MAX14939 работают в полудуплексном режиме с возможностью построения сети PROFIBUS (Process Field Bus). Сеть PROFIBUS основывается на нескольких стандартах и протоколах. Данное семейство выпускается в корпусе 16-pin SOIC с температурным диапазоном -40…105°C.
Рис. 7. Функциональная схема семейства MAX14938/MAX14939
Отличительная особенность микросхемы MAX14943 – встроенная гальваническая изоляция 5000 Vrms (60 c). Как следствие, данная микросхема обеспечивает 848 Vrms постоянной рабочей изоляции. Напряжение питания у MAX14943 Vdda 3…5,5 В и Vddb 4,5…5,5 В, есть встроенный LDO-стабилизатор. Используя данную микросхему, к сети можно подключить до 128 трансиверов и обеспечить высокую скорость передачи данных (до 20 Мбит/с). Также имеется защита от электростатических разрядов ±35 кВ (ESD). MAX14943 работает в полудуплексном режиме с возможностью построения сети PROFIBUS (Process Field Bus). Встроенный драйвер трансформатора обеспечивает КПД до 80% при выходном токе 150 мА.
Микросхема MAX14948 также имеет встроенную гальваническую изоляцию 5000 Vrms (60 c), напряжение питания Vdda 1,71…5,5 В и Vddb 4,5…5,5 В, защиту от электростатических разрядов ±30 кВ (ESD), встроенный LDO-стабилизатор. Работает в дуплексном режиме с максимальной скоростью передачи данных 500 кбит/с. С помощью данной микросхемы к сети можно подключить до 256 трансиверов.
Семейство MAX14853/MAX14855 может работать в дуплексном режиме на максимальной скорости передачи данных 500 кбит/с (MAX14853) и 25 Мбит/с (MAX14855). Имеет встроенную гальваническую изоляцию 2750 Vrms (60 c), напряжение питания Vdda 3…5,5 В и Vddb 3…5,5 В, защиту от электростатических разрядов ±35 кВ (ESD), встроенный LDO-стабилизатор. Встроенный драйвер трансформатора обеспечивает высокую эффективность.
Семейство MAX14857/MAX14859 также может работать в дуплексном режиме на максимальной скорости передачи данных 500 кбит/с (MAX14857) и 25 Мбит/с (MAX14859). Имеет встроенную гальваническую изоляцию 5000 Vrms (60 c), защиту от электростатических разрядов ±35 кВ (ESD), встроенный LDO-стабилизатор и встроенный драйвер трансформатора 450 кГц, обеспечивающий КПД до 80% при выходном токе 150 мА. Напряжение питания Vdda 3…5,5 В и Vddb 3…5,5 В.
Также стоит отметить еще одно новое семейство – MAX3483AE/MAX3491AE, разработанное компанией Maxim Integrated для промышленных сетей, чувствительных к электростатическим разрядам. Оно обеспечивает высокую надежность на длинных линиях в условиях помех. Питание микросхем – 3,3 В. Все микросхемы этого семейства имеют защиту от электростатического разряда ±20 кВ (ESD). Защита от электростатического разряда важна не только на стадии производства устройства, но и при эксплуатации. Человек способен зарядиться статическим электричеством до нескольких десятков тысяч вольт, для этого достаточно просто носить синтетическую одежду. Прикосновение к микросхеме или выводам интерфейса может привести к пробою и отказу системы связи, если она не имеет электростатической защиты. Все микросхемы данного семейства имеют встроенную защиту приемопередатчика от сбоев, которая гарантированно выдает высокий логический уровень на выход RO (рисунок 8), в том случае, если выходы закорочены, подключены к шине данных в третьем состоянии или вовсе не подключены.
Рис. 8. Функциональная схема семейства MAX3483AE/MAX3491AE
Микросхемы MAX3483AE и MAX3485AE работают в полудуплексном режиме, а MAX3488AE, MAX3490AE и MAX3491AE – в дуплексном со скоростью передачи данных до 20 Мбит/с. Они имеют одну из лучших электростатических защит в своем классе: ±20 кВ по модели человеческого тела, ±15 кВ IEC 61000-4-2 (воздушный зазор), ±10 кВ IEC 61000-4-2 (контакт). Схема защиты от электростатического разряда надежно защищает микросхему даже при отсутствии питания. К информационной сети можно подключить до 128 трансиверов этого семейства и успешно их применять в температурном диапазоне -40…125°C. Данные микросхемы выпускаются в корпусах 8-pin SO, а MAX3491AE – в 14-pin SO.
Заключение
Для правильного выбора драйвера RS-485 разработчику необходимо определиться с основными требованиями к сети. На этапе проектирования нужно учесть возможную длину линии, максимальное количество приемопередатчиков, скорость передачи данных и электромагнитную обстановку. Если проектируется промышленная система, то надежности необходимо уделить максимальное внимание. Компания Maxim Integrated производит большое количество качественных микросхем с разнообразными функциями и защитами. Разработчику остается только выбрать необходимые решения конкретно для его системы.