Приемопередатчики MAXIM для индустриальных интерфейсов – обзор новинок. Физические интерфейсы RS485 и RS422 Защита от перенапряжений

В современном мире, очень большое количество промышленного оборудования работает через физические интерфейсы, для связи.

Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Рассмотрим несколько популярных интерфейсов: RS-485 и RS422

1. Интерфейс RS-485

RS-485 (Recommended Standard 485), также EIA-485 (Electronic Industries Alliance-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня для асинхронного интерфейса связи.

Название стандарта: ANSI TIA/EIA-485-A:1998 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems.

Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.

Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями:

Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronic Industries Association)

Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association)

Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом "RS "

Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил "RS " на "EIA/TIA " с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Стандарт определяет следующие линии для передачи сигнала:

A - неинвертирующая

B - инвертирующая

C - необязательная общая линия (ноль)

Несмотря на недвусмысленное определение, иногда возникает путаница, по поводу того какие обозначения ("A" или "B") следует использовать для инвертирующей и неинвертирующей линии. Для того, чтобы избежать этой путаницы часто используются альтернативные обозначения, например: "+" / "-"

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов.

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал.

RS-485 - полудуплексный интерфейс . Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.

Несмотря на то, что интерфейс RS-485 двухпроводной, существует его четырех проводная реализация.

При этом интерфейс не становится полнодуплексным , он также является полудуплексным.

Четырехпроводная версия выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных.

Передатчик зада­ющего узла всегда активен - переход в третье состояние ему не нужен.

Передат­чики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии все узлы равноправны.

Сеть построенная на базе RS-485 поддерживает по стандарту до 32 устройств "единичной нагрузки"

На рынке широко представлены устройства с другими значениями "нагрузки" - 1/2(т.е. уже 64 устройства), 1/4 (128 устройств) от единичной нагрузки.

При построении таких линий, возникает достаточно много сложностей, поэтому необходимо обладать должными знаниями для их проектирования.

2. Интерфейс RS-422

Последовательный дифференциальный интерфейс RS-422 (Recommended Standard 422) по своим особенностям очень походит на другой интерфейс передачи данных в сети - RS-485.

Они могут электрически совмещаться между собой, но всё же есть ряд существенных отличий.

RS-422 является полностью дуплексным интерфейсом (full duplex), поэтому передача данных может одновременно осуществлять в обоих направлениях. Например, подтверждение приёма пакетов данных происходит одновременно с приёмом последующих пакетов.

Дуплексность обеспечивается за счёт того, что используется одновременно два приёмопередатчика, один из которых работает на приём, другой - на передачу.

В то время как RS-485 применяется для организации сети со множеством абонентов, RS-422 используется обычно для налаживания передачи данных между двумя устройствами на длинных дистанциях.

Это обуславливается тем, что RS-422 поддерживает создание только одномастерных сетей, в которых в качестве передатчика может выступать только одно устройство, а остальные способны лишь принимать сигнал.

Максимальная дальность действия интерфейса RS-422 точно такая же, как и у RS-485, и составляет 1200 метров.

Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии.

Каждый передатчик RS -422 может быть нагружен на 10 приемников.

2.1. Подключение интерфейса счетчика Альфа A1800 с полнодуплексным интерфейсом к модему RX.

Данные счетчики подключаются к модему RX по 4-х проводному интерфейсу RS422. Но не смотря на то, что в документации на этот счетчик, интерфейс называется 4-х проводной RS485, на самом деле это RS422.

Полнодуплексным типом интерфейса комплектовались счетчики до 2008 года. На данный момент практически все данные счетчики полудуплексные, но для точности лучше уточнить у поставщика или производителя.

3. Особенности

Несмотря на схожесть интерфейсов RS-485 и RS-422 они не совместимы друг с другом.

Нельзя к прибору с одним типом интерфейса подключать устройства или приборы с другим типом интерфейса.

Компания Maxim является мировым лидером в производстве интерфейсных микросхем разнообразной функциональной организации.

Все микросхемы обладают особенностями, позволяющими уменьшить стоимость, увеличить плотность компоновки элементов на плате за счет уменьшения количества дополнительных элементов, а также обеспечить разнообразную защиту устройств в линии связи.

В линейке интерфейсных микросхем MAXIM можно найти:

• Приемопередатчики самых распространенных промышленных интерфейсов: RS-232, RS-485/RS-422, IrDA, CAN, LIN, LVDS, USB, HART;
• Двухпротокольные устройства, позволяющие с помощью одной микросхемы соединить устройства с различными интерфейсами, например RS-232 и RS-485;
• Многопротокольные устройства, поддерживающие следующие интерфейсы: RS-232, RS-449, RS-485, RS-530, RS-530A, V.10, V.11, V.28, V.35, V.36, и X.21;
• Микросхемы защиты линий связи от электростатического перенапряжения, позволяющие обеспечить защиту микросхем и устройств по току;
• Микросхемы контроля интерфейсных шин, позволяющие отреагировать на короткие замыкания в схеме и в случае необходимости подключить резервное питание к разрабатываемому устройству;
• Микросхемы, упрощающие работу со smart-картами, а также контроллеры интерфейсов, ускоряющие создание USB- и SCSI-устройств;
• Расширители портов ввода/вывода;
• Двусторонние высокоскоростные преобразователи уровня логического сигнала для сопряжения микросхем с различным питанием в пределах одной платы.

В основном для связи промышленных устройств используются интерфейсы RS-485 и RS-232. Линейка приемопередатчиков этих интерфейсов от компании Maxim содержит более 300 различных устройств.

Протокол RS-485

Протокол RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA — Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA — Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard — Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации. Главное отличие RS-485 от RS-232 — возможность объединения нескольких устройств.

Перечислим основные свойства физического уровня интерфейса RS-485:

1. Двунаправленная полудуплексная передача данных. Поток последовательных данных передается одновременно только в одну сторону, передача в другую сторону требует переключения приемопередатчика. Приемопередатчики принято называть «драйверами» (driver).

2. Симметричный канал связи. Для приема/передачи данных используются два равнозначных сигнальных провода, которые обозначаются латинскими буквами «А» и «В». По этим проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использовании витой пары симметричный канал существенно повышает устойчивость сигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения, создаваемые полезным сигналом.

3. Дифференциальный способ передачи данных. На выходе приемопередатчика изменяется разность потенциалов, при передаче «1» разность потенциалов между A и B положительная, при передаче «0» — отрицательная. То есть ток между контактами А и В при передаче «0» и «1» течет (балансирует) в противоположных направлениях.

4. Многоточечность. Допускает множественное подключение приемников и приемопередатчиков к одной линии связи. Но в каждый момент времени передавать данные должен только один передатчик, а принимать данные может большое количество устройств.

5. Низкоимпендансный выход передатчика. Буферный усилитель передатчика имеет низкоомный выход, что позволяет передавать сигнал ко многим приемникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32 приемника на один передатчик. Кроме этого токовый сигнал используется для работы «витой пары» (чем больше рабочий ток «витой пары», тем сильнее она подавляет синфазные помехи на линии связи).

6. Зона нечувствительности. Если дифференциальный уровень сигнала между контактами АВ не превышает ±200 мВ, то считается, что сигнал в линии отсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.

Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля.

Некоторые микросхемы на рынке не имеют встроенной защиты от электростатического разряда, что вынуждает устанавливать дополнительные защитные устройства на плату. Интерфейсные микросхемы Maxim включают «ESD-структуры», которые защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15 кВ, а в некоторых моделях до уровня ±30 кВ.

Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, специалисты компании Maxim осуществляют многократные тестирования положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200 В для проверки последовательности заявленных уровней. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом «E».

Также для выходных драйверов интерфейсных микросхем опасен режим короткого замыкания, однако специалисты компании Maxim разработали уникальную систему защиты, отключающую выходные драйверы микросхемы не только при обнаружении короткого замыкания, но и при перегреве микросхемы, что обеспечивает продолжительный безотказный период работы.

Поскольку у микросхем компании MAXIM все системы защиты и преобразователи уровней находятся на одном кристалле, то схема подключения сильно упрощается (рис. 1). Минимальное количество навесных элементов позволяет максимально уплотнить размещение интегральных компонентов на плате, а минимальные размеры микросхем связи (вплоть до 2×2 мм) упрощают проектирование переносных устройств или устройств, работающих в ограниченном пространстве.

Рис. 1.

Сети, построенные на базе интерфейса RS-485, могут быть как дуплексные, так и полудуплексные. Полудуплексный режим — это режим, при котором передача ведется в обоих направлениях, но с разделением по времени. В каждый момент времени передача ведется только в одном направлении. Дуплексный режим — это режим, при котором передача данных может производиться одновременно с приемом данных. Иногда его также называют «полнодуплексным» режимом для того, чтобы яснее показать разницу с полудуплексным.

Как известно, стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики интерфейса связи и физический уровень (среду), но не программную платформу. Однако существует множество стандартизированных промышленных протоколов, работающих «поверх» стандарта RS-485. Среди этих протоколов, самым распространенным является PROFIBUS. Он объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи, что позволяет соединить разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral — Распределенная периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределенного ввода/вывода (ведомыми DP-устройствами).

Он характеризуется минимальным временем реакции, высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей и оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически протокол близок к RS-485, именно поэтому микросхемы, позволяющие работать по протоколу PROFIBUS, при желании пользователя можно перенастроить на работу по интерфейсу RS-485.

MAX14840E и MAX14841E

MAX14840E и MAX14841E — защищенные от электростатического разряда трансиверы, предназначенные для полудуплексных сетей RS-485 со скоростью передачи данных до 40 Мбит/с. Эти приемопередатчики оптимизированы для высокоскоростной связи устройств на большом расстоянии. Специальные системы защиты от несимметричности сигнала, а также увеличенный гистерезис входного сигнала позволяют значительно увеличить устойчивость к помехам.

Обычный ток потребления микросхем в режиме ожидания или в режиме работы (с отключенными выходными драйверами) составляет всего 1,5 мА. Устройства, построенные на этой микросхеме, могут включаться в уже работающую сеть «на лету», не вызывая переходные процессы, ухудшающие форму передающегося в данный момент сигнала.

Микросхемы MAX14840E и MAX14841E от компании Maxim доступны в восьмивыводном корпусе формата SO и малых восьмиконтактных (3х3 мм) корпусах формата TDFN-EP, но, независимо от форм-фактора, микросхемы работают в температурном диапазоне -40…125°C, что позволяет использовать их в автомобильных сетях.

Данная микросхема разрабатывалась для работы в высокоскоростной многоточечной сети RS-485 (рис. 2).

Рис. 2.

Минимальное количество выводов микросхемы, а также высокая степень внутренней интеграции позволяет использовать ее практически без внешних элементов, что повышает плотность компоновки платы и упрощает использование микросхемы в малогабаритных переносных устройствах.

Микросхемы серии MAX14840E и MAX14841E содержат блок защиты выходных драйверов, который ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания линии, что позволяет сохранить выходные драйверы в рабочем состоянии, а также избежать больших потерь энергии. В данной микросхеме присутствует блок защиты от перегрева, который отключает выходные драйверы микросхемы при превышении температуры в 160°C.

Основные применения:

• Системы управления двигателями;
• Управление микроклиматом;
• Промышленные системы управления;
• Различные сети RS-485.

MAX14770E

В линейке микросхем от компании Maxim присутствует модель MAX14770E — приемопередатчик интерфейсов PROFIBUS-DP/RS-485. Новое поколение технологического процесса BiCMOS позволяет добиться высокой пропускной способности (20 Мбит/с) и при этом интегрировать в структуру надежную схему защиты от электростатического разряда (±35 кВ, HBM). Компактный корпус TDFN позволяет использовать эту микросхему в переносных устройствах. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C, что гарантирует надежность в сложных условиях.

MAX14770E повыводно совместима с MAX3469, что позволяет использовать ее для модернизации систем управления двигателями, сетей PROFIBUS-DP/RS-485 и промышленных шин.

MAX14770E имеет широкий диапазон напряжения питания, совместимый с промышленным стандартом (5 В ±10%). Микросхема выпускаются в компактном восьмивыводном корпусе TDFN (3×3 мм), а также восьмивыводном корпусе SO, для которого рабочий температурный диапазон -40…85°C.

Основные характеристики:

• Отвечает требованиям Profibus-DP напряжение питания 4,5…5,5В;
• Скорость передачи достигает 20Мбит/с;
• Имеет защиту от короткого замыкания;
• Имеет отказоустойчивый приемник;
• Отключается при перегреве;
• Имеет возможность горячей замены;
• Имеет расширенную защиту от электростатического разряда: ±35кВ (модель человеческого тела); ±20кВ (модель разряда через воздушный зазор); ±10кВ (модель разряда при касании);
• Имеет расширенный температурный диапазон -40…125°C для восьмивыводного корпуса TDFN (3×3мм).

Благодаря этим особенностям микросхемы имеют очень широкие области применения. Помимо устройств в промышленных сетях и системах кодирования промышленного оборудования эти микросхемы активно используются в системах управления двигателями, а также в сетях PROFIBUS-DP.

MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E

Микросхемы серии MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E от компании Maxim — приемопередатчики интерфейса RS-485, работающие в полнодуплексном режиме и в режиме по выбору: полу- и полнодуплексном (рис. 3).

Рис. 3.

Особенностью этих микросхем является то, что они выпускаются в компактных корпусах mDFN с габаритами 2х2 мм и предназначены для применения в разработках, критичных к габаритам. Несмотря на размеры, они имеют улучшенную защиту от электростатического разряда ±15 кВ, а также подтягивающие и заземляющие нагрузочные резисторы на входах DE, RE и F для уменьшения количества внешних компонентов.

Особенностью микросхем MAX13182E, MAX13184E также является очень низкий ток в отключенном режиме, что необходимо в приложениях, критичных к энергопотреблению. Входы приемника микросхемы создают импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, что дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Микросхемы MAX13181E, MAX13182E включают драйверы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала, что уменьшает электромагнитные помехи и отражения сигналов, возникающие при неправильной разводке кабелей. Однако применение драйверов с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала позволяет осуществлять передачу данных со скоростью до 250 кбит/с, хоть и значительно уменьшает количество ошибок.

MAX13183E, MAX13184E, в отличие от предыдущих ИС, имеют драйверы, работающие на полной скорости, что позволяет добиться скорости передачи данных до 16 Мбит/с. Особенностью этих микросхем является возможность выбора полу- или полнодуплексного режима работы, а MAX13182E и MAX13184E работают только в полнодуплексном режиме. Все выходы передатчиков и входы приемника имеют улучшенную защиту от электростатического разряда.

Все микросхемы MAX13181E…MAX13184E выпускаются в 10-выводном корпусе mDFN с габаритами 2х2 мм и в 14-выводном корпусе SO. Все они работают в расширенном температурном диапазоне -40…85°C.

Среди особенностей описываемых микросхем можно выделить следующие:

• 10-выводной корпус mDFN с габаритами 2х2мм и 14-выводной корпус SO;
• Напряжение питания 5В;
• Расширенная защита от электростатического разряда;
• ±15кВ (Спецификация HBM- модель человеческого тела);
• ±12 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда через воздушный зазор);
• ±6 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда при касании);
• Режим работы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала для передачи данных без ошибок (MAX13181E, MAX13182E);
• Низкий ток потребления 2,5мкА в режиме отключения;
• Импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, который дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Благодаря малым размерам и низкому потреблению тока данные микросхемы отлично подходят для применения в переносных устройствах с автономным питанием, которые могут использоваться как при управлении производственными процессами, так и в измерительной аппаратуре, в системах безопасности и в телекоммуникационном оборудовании.

MAX13448E

MAX13448Е — дуплексные приемопередатчики интерфейса RS-485 с защитой входов и выходов от перепадов напряжения ±80 В (относительно земли). MAX13448E работает от источника питания номиналом 3…5,5 В. Особенностью ИС является схема защиты, которая гарантирует наличие логического состояния высокого уровня на выходе приемника в случае отключения или замыкания входов. Это позволяет все выходы приемника, подключенные к шине, перевести в состояние высокого логического уровня при отключении всех приемопередатчиков.

Возможность работы ИС при наличии перепадов напряжения ±80 В на выводах интерфейса RS-485 позволяет устранить необходимость применения внешней схемы защиты, которая обычно содержит самовосстанавливающиеся предохранители и стабилитроны.

Встроенная схема защиты успешно используется в таких архитектурах как USB и CAN, в которых питание и передача данных осуществляет по одному кабелю. MAX13448E хорошо подходит для применения в промышленных системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системах управления электродвигателями.

Основной особенностью микросхемы MAX13448E является модуль ограничения скорости нарастания выходного напряжения, использование которого снижает уровень электромагнитных помех и эффект наводок на кабель, что позволяет осуществлять безошибочную передачу данных на скорости до 500 Кбит/с при питании 5 В и 250 Кбит/с при питании 3,3 В.

В MAX13448E предусмотрена функция горячей замены, которая устраняет возможность передачи неправильных данных в моменты включения питания или при включении ИС в работу без отключения источника питания. Драйвер и приемник микросхемы имеют, соответственно, активный высокий и активный низкий логический уровень включения, что дает возможность при совместном включении извне управлять направлением передачи.

Полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы всех драйверов имеют защиту от электростатического разряда до ±8 кВ (касание человека — Human Body Model). MAX13448E работает в температурном диапазоне -40…85°C и выпускается в 14-контактных корпусах SO.

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E — полудуплексные приемопередатчики для интерфейсов RS-485/RS-422, оптимизированные для применения в схемах с изолированными контурами. Эти ИС включают встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения, драйвер и приемник. Встроенный стабилизатор позволяет работать от нерегулируемого источника питания номиналом до 28 В. Функция автоматического перенаправления пересылаемых данных (архитектура AutoDirection фирмы Maxim) дает возможность уменьшить количество оптических элементов для развязки. Среди других особенностей можно отметить защиту от электростатического разряда, схему ограничения скорости нарастания напряжения, схему повышения отказоустойчивости, способность пересылки данных на максимальной скорости.

Встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения вырабатывает напряжение номиналом 5 В ±10%, которое используется для питания внутренних цепей приемопередатчика. Выход встроенного регулятора напряжения выведен на VREG, что позволяет пользователю подключить внешние компоненты к источнику стабильного напряжения при условии, что потребляемый ток будет меньше 20 мА. В MAX13410E/MAX13411E нет выхода напряжения 5 В, но его выводы соответствуют промышленному стандарту, что позволяет легко встраивать ИС в промышленные системы.

В MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E и MAX13413E полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы драйвера имеют защиту от электростатического напряжения.

Особенностью ИС MAX13412E/MAX13413E является функция автоматического перенаправления потока данных. Подобная архитектура устраняет необходимость использования сигналов управления DE и RE.

В MAX13410E/MAX13412E применяется схема ограничения скорости нарастания напряжения, что снижает создаваемые электромагнитные помехи и обеспечивает устойчивую работу в условиях высоких внешних электромагнитных помех при скорости передачи данных до 500 Кбит/с. В MAX13411E/MAX13413E схема ограничения не применяется, но эти микросхемы могут передавать данные на скорости до 16 Мбит/с.

Микросхемы работают в температурном диапазоне -40…85°С и выпускаются в 8-контактных корпусах SO.

Интерфейс RS-232

Несмотря на все положительные качества интерфейса RS-485, интерфейс RS-232 до сих пор часто используется в промышленных системах. Он был разработан для простого применения, определяемого из его названия: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду».

Интерфейс RS-232 создан для передачи информации между двумя устройствами на расстояние до 20 м. Он основан на передаче дифференциального сигнала, однако отличается уровнями и полярностью.

Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, что обеспечивает большую устойчивость к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект вызван электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Логические уровни передатчика: «0» — 5…15 В, «1» — -5…-15 В.

Логические уровни приемника: «0» — выше 3 В, «1» — ниже -3 В.

Несмотря на то, что протокол RS-232 создавался давно, специалисты компании Maxim до сих пор улучшают аппаратную часть сети, которая позволяет обеспечить большую надежность промышленных систем.

MAX13223E

Новый двухканальный приемопередатчик MAX13223E для интерфейса RS-232 имеет встроенную защиту входов/выходов до напряжения ±70 В. MAX13223E — это первый на рынке приемопередатчик с защитой от перенапряжения, совместимый по выводам с MAX3223E, являющимся в настоящее время промышленным стандартом.

В новую микросхему интегрированы цепи защиты входов/выходов от короткого замыкания на шины питания, ошибок подключения и перенапряжения до ±70 В, что устраняет необходимость использования внешних защитных цепей. Такая защита особенно критична для приложений, в которых питание и данные передаются по одному и тому же проводу, т.к. предотвращает выход схемы из строя из-за ошибок подключения и коротких замыканий на выводы интерфейса при повреждении кабеля.

Запатентованная Maxim схема AutoShutdown позволяет довести потребляемый ток в отключенном режиме до 1 мкА. Микросхема MAX13223E автоматически переходит в режим низкого потребления энергии при отключении связующего кабеля RS-232 или при отсутствии данных на входе приемника. Запатентованная эффективная схема подкачки напряжения питания и низкий уровень падения напряжения в тракте передачи обеспечивает работу микросхемы от однополярного источника напряжения номиналом 3…5 В.

MAX13223E, выполненный в корпусе TSSOP-20, работает в диапазоне напряжений питания 3…5,5 В, обеспечивая интерфейс EIA/TIA-232 и V.28/V.24 с автоматическим отключением и улучшенной защитой от разрядов статического электричества. Температурный диапазон микросхемы -40…85°C.

MAX13223E создана для использования в автомобильных приложениях, средствах связи, базовых станциях, системах учета коммунальных услуг, промышленном оборудовании, торговых терминалах и телекоммуникационном оборудовании.

Типовая схема подключения (рис. 4) содержит минимум навесных элементов, что позволяет максимально упростить разводку платы, а также максимально уплотнить расположение элементов на плате.

Рис. 4.

MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E

Приемопередатчики интерфейса RS-232 MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E разработаны для замены существующих приемопередатчиков семейства MAX3224E…MAX3227E и обеспечивают высокую скорость передачи данных (до 3 Мбит/с). Встроенные регуляторы напряжения позволяют работать с логическими уровнями при низком напряжении питания, а за счет использования схемы AutoShutdown Plus ток потребления уменьшился до уровня менее 1 мкА. Схема ESD обеспечивает высокий уровень защиты от статического разряда.

Микросхемы MAX13234E…MAX13237E обеспечивают возможность работы при высокой скорости передачи данных за счет отсутствия необходимости использования внешнего преобразования логических уровней. Микросхемы MAX13234E и MAX13235E включают два приемника и два передатчика. MAX13236E и MAX13237E включают один приемник и один передатчик, выпускаются в компактном корпусе TQFN. MAX13235E и MAX13237E обеспечивают скорость передачи данных до 3 Мбит/с, а MAX13234E и MAX13236E поддерживают работу на скорости 250 кбит/с. Все устройства работают в расширенном температурном диапазоне -40…85°C от источника питания номиналом 3…5,5 В.

Данные микросхемы были созданы для применения в основном в области коммуникационных систем, но они также идеально подойдут для портативных электронных устройств и промышленного оборудования.

HART-протокол

Если в описанных выше интерфейсах для передачи данных использовалось напряжение, т.е. сигнал определялся разницей напряжения между двумя выводами схемы, то в протоколе HART (Highway Addressable Remote Transducer ) электрическим сигналом является ток. Сети HART построены по принципу аналоговой токовой петли с частотной модуляцией сигнала.

Протокол HART способен обеспечить обмен данными на скорости до 1200 Бод. Диаграмма, поясняющая работу приборов по HART-протоколу, представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц.

Как видно на рисунке 5, HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4…20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4…20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный-подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

В режиме передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика.

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

DS8500

Компания Maxim Integrated Products, Inc представила DS8500 — однокристальный HART-модем, отвечающий на физическом уровне требованиям спецификации HART.

Как видно на рис. 6, на кристалле интегрированы модулятор и демодулятор 1200/2200 Гц частотно-модулированного сигнала.

Рис. 6.

Микросхема имеет очень малое энергопотребление и благодаря реализованной цифровой сигнальной обработке требует лишь несколько внешних компонентов. Входной сигнал оцифровывается АЦП и поступает на цифровой фильтр/демодулятор. Архитектура модема позволяет уверенно обнаруживать сигнал даже в зашумленной среде. Выходной ЦАП генерирует синусоидальное напряжение и сохраняет сдвиг фаз при переключении частот 1200 и 2200 Гц. Низкое потребление достигается запрещением работы приемника во время передачи сигнала, передатчик не работает во время приема. DS8500 идеальны для создания малопотребляющих передатчиков систем управления технологическими процессами.

Как видно на рис. 7, всего несколько внешних компонентов и 20-выводной миниатюрный корпус TQFN уменьшают стоимость и габариты изделия.

Рис. 7.

Основные особенности модема:

• Однокристальное решение для полудуплексной передачи, 1200бод, FSK-модуляция и демодуляция;
• Цифровая сигнальная обработка, обеспечивающая надежное детектирование входного сигнала в зашумленной среде;
• Синусоидальный выходной сигнал с минимальными гармоническими искажениями;
• Стандартная тактовая частота 3,6864МГц;
• Соответствие требованиям спецификации HART на физическом уровне;
• Напряжение питания в диапазоне 2,7…3,6В;
• Максимальный ток потребления 285 мкА;
• Миниатюрный 20-выводной корпус TQFN с размерами 5х5х0,8мм.

Благодаря активному использованию протокола HART, микросхема DS8500 незаменима при разработке передатчиков для устройств сбора информации (температуры, давления и т.д.), HART-модемов или HART-мультиплексоров.

Заключение

Хотя стандарты RS-232 и RS-485 были созданы более 30 лет назад, они активно используются до сих пор. Ранее ни один персональный компьютер не мог обойтись без COM-порта, передача данных по которому основывается на протоколе RS-232. Даже несмотря на то, что в современных компьютерах COM-порт давно заменен более современными, это еще не означает, что протоколы RS-232 и RS-485 забыты.

В промышленных сетях им нет равных из-за высокой стабильности и больших расстояний, на которых обеспечивается передача данных. Однако эта надежность определяется не только первоначальной удачной разработкой протокола, но и постоянным совершенствованием аппаратной части.

Интерфейсная продукция компании MAXIM идеально удовлетворяет потребностям российского рынка промышленной электроники, а интерфейсы еще долго будут жить. Maxim активно совершенствует надежностные характеристики микросхем связи и расширяет их дополнительный функционал.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Maxim приобрел компанию Teridian

Компания Maxim объявила о приобретении компании Teridian Semiconductor Corporation. Teridian Semiconductor является fabless-компанией (разработчиком без собственных производственных мощностей), штаб-квартира которой располагается в Ирвайне, штат Калифорния. Компания является крупным поставщиком полупроводниковых компонентов, при этом основное внимание сосредоточено на микросхемах для счетчиков энергопотребления и средств измерения энергии интеллектуальных энергетических систем. Она является поставщиком трех из четырех основных производителей счетчиков энергопотребления в США и свыше пятидесяти их производителей в мире. Основная отличительная характеристика интеллектуальных датчиков Teridian — новая архитектура, которая позволяет проводить более точные измерения мощности в более широком динамическом диапазоне. Для того, чтобы оптимизировать время выхода продукта на рынок и уменьшить затраты, производители счетчиков электропотребления нуждаются в микросхемах с высокой степенью интеграции компонентов на чипе и готовых многоуровневых решениях. Продемонстрированная Maxim возможность объединять множественные сигнальные функции будет крайне полезна в производстве высоинтегрированных «систем-на-кристалле» (SoC) и готовых решений, удовлетворяющих этим требованиям. Было заявлено, что количество интеллектуальных счетчиков, использующих как «системы-на-кристалле», так и готовые решения, должно ежегодно увеличиваться на 10% до 2014 года.

Как недавно отметил генеральный директор (СЕО) Maxim Тунк Долука (Tunc Doluca ): «Инвестиции в глобальные интеллектуальные энергетические системы должны быть существенны, для того чтобы использовать электростанции и сети энергоснабжения более эффективно. Средства измерения энергии и сетевые средства связи являются ключевыми компонентами интеллектуальной энергетической системы, а, следовательно, неизбежно ведет за собой разработку новых счетчиков энергопотребления на замену устаревших. Приобретение продуктовой линейки и команды компании Teridian в значительной степени ускорит наше внедрение на этот быстроразвивающийся рынок и поможет нам укрепить наши позиции».

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA -485-А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus , Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

• двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
• работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;
• большая длина линии связи;
• достаточно высокая скорость передачи.

2.3.1. Принципы построения

Дифференциальная передача сигнала

В основе построения интерфейса RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data + и Data - (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [ - TIA ].

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data + и Data -. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

"Третье" состояние выходов

Второй особенностью передатчика D (D - "Driver ") интерфейса RS -485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable ) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рис. 2.1 передачу выполняет устройство , а прием - устройство , то выходы передатчиков и переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков и не шунтирует линию.

Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request To Send ) СОМ-порта.

Четырехпроводной интерфейс

Интерфейс RS -485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную . Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 2.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной ) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 2.2).

Недостатком четырехпроводной (рис. 2.2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Режим приема эха

Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется "приемом эха" и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.

Заземление, гальваническая изоляция и защита от молнии

Если порты RS -485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS -485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS -485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы RealLab!).

Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты, см. раздел "Защита от помех" .

2.3.2. Стандартные параметры

В последнее время появилось много микросхем трансиверов интерфейса RS -485, которые имеют более широкие возможности, чем установленные стандартом. Однако для обеспечения совместимости устройств между собой необходимо знать параметры, описанные в стандарте (см. табл. 2.2).

2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии

Когда передатчики всех устройств, подключенных к лини, находятся в третьем (высокоомном) состоянии, логическое состояние линии и входов всех приемников не определено. Чтобы устранить эту неопределенность, неинвертирующий вход приемника соединяют через резистор с шиной питания, а инвертирующий - с шиной "земли". Величины резисторов выбирают такими, чтобы напряжение между входами стало больше порога срабатывания приемника (+200 мВ).

Поскольку эти резисторы оказываются подключенными параллельно линии передачи, то для обеспечения согласования линии с интерфейсом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление на входе линии было равно 120 Ом.

Например, если резисторы, используемые для устранения неопределенности состояния линии, имеют сопротивление 450 Ом каждое, то резистор для согласования линии должен иметь номинал 130 Ом, тогда эквивалентное сопротивление цепи будет равно 114120 Ом. Для того, чтобы найти дифференциальное напряжение линии в третьем состоянии всех передатчиков (см. рис. 2.6), нужно учесть, что к противоположному концу линии в стандартной конфигурации подключен еще один резистор сопротивлением 120 Ом и до 32 приемников с входным дифференциальным сопротивлением 12 кОм. Тогда при напряжении питания (рис. 2.6) дифференциальное напряжение линии будет равно +272 мВ, что удовлетворяет требованию стандарта.

2.3.6. Сквозные токи

В сети на основе интерфейса RS -485 может быть ситуация, когда включены два передатчика одновременно. Если при этом один из них находится в состоянии логической единицы, а второй - в состоянии логического нуля, то от источника питания на землю течет "сквозной" ток большой величины, ограниченный только низким сопротивлением двух открытых транзисторных ключей. Этот ток может вывести из строя транзисторы выходного каскада передатчика или вызвать срабатывание их схемы защиты.

Такая ситуация возможна не только при грубых ошибках в программном обеспечении, но и в случае, если неправильно установлена задержка между моментом выключения одного передатчика и включением другого. Ведомое устройство не должно передавать данные до тех пор, пока передающее не закончит передачу. Повторители интерфейса должны определять начало и конец передачи данных и в соответствии ними переводить передатчик в активное или третье состояние.

2.3.7. Выбор кабеля

В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS -485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS -485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.

Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов.

При использовании неизолированных трансиверов интерфейса кроме сигнальных проводов в кабеле необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов. При наличии гальванической изоляции интерфейсов этого делать не нужно.

Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля не намного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.

При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS -485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.

На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 2.7) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике. К примеру, ослабление сигнала в кабеле Belden 9501PVC составляет 10 дБ (3,2 раза) на частоте 20 МГц и 0,4 дБ (на 4,7%) на частоте 100 кГц при длине кабеля 100 м.

2.3.8. Расширение предельных возможностей

Стандарт RS -485 допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику. Эта величина ограничивается мощностью выходного каскада передатчика при стандартном входном сопротивлением приемника 12 кОм. Количество нагрузок (приемников) может быть увеличено с помощью более мощных передатчиков, приемников с большим входным сопротивлением и промежуточных ретрансляторов сигнала (повторителей интерфейса). Все эти методы используются на практике, когда это необходимо, хотя они выходят за рамки требований стандарта.

В некоторых случаях требуется соединить устройства на расстоянии более 1200 м или подключить к одной сети более 32 устройств. Это можно сделать с помощью повторителей (репитеров , ретрансляторов) интерфейса. Повторитель устанавливается между двумя сегментами линии передачи, принимает сигнал одного сегмента, восстанавливает фронты импульсов и передает его с помощью стандартного передатчика во второй сегмент (рис. 2.5). Такие повторители обычно являются двунаправленными и имеют гальваническую изоляцию. Примером может служить повторитель NL-485C фирмы RealLab! . Каждый повторитель позволяет добавить к линии 31 стандартное устройство и увеличить длину линии на 1200 м.

Распространенным методом увеличения числа нагрузок линии является использование приемников с более высокоомным входом, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить 64 приемника. Уже выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети (www.analog.com/RS485). Отметим, что увеличение количества нагрузок путем увеличения входного сопротивления приемников приводит к уменьшению мощности передаваемого по линии сигнала, и, как следствие, к снижению помехоустойчивости.

2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422

Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS Рис. 2.9. Соединение двух модулей преобразователей интерфейса RS-232/RS-422Дифференциальный

Дифференциальный

Максимальное количество приемников

Максимальная длина кабеля

Максимальная скорость передачи

30 Мбит/с**

Синфазное напряжение на выходе

Напряжение в линии под нагрузкой

Импеданс нагрузки

Ток утечки в "третьем" состоянии

Допустимый диапазон сигналов на входе приемника

Чувствительность приемника

Входное сопротивление приемника

Примечание . **Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не является стандартной.

* EIA - Electronic Industries Association - ассоциация электронной промышленности. TIA - Telecommunications Industry Association - ассоциация телекоммуникационной промышленности. Обе организации занимаются разработкой стандартов.

Роберт Джи (Robert Gee), перевод и дополнения Владимир Рентюк

Оба интерфейсных протокола - RS 485 (стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса) и CAN (Controller Area Network - стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков) - существуют еще с середины 1980 х годов, когда они были впервые представлены в качестве стандартов для организации каналов связи. Долгое время эти интерфейсы развивались сами по себе, не касаясь друг друга. Но прошло время, и ситуация начала меняться. Почему? Разобраться в этом нам поможет небольшая дискуссия, проведенная в рамках статьи.

В отличие от предыдущих стандартов физического уровня, в частности RS‑423, RS‑422 и RS‑232, появление RS‑485 стало поистине эволюционным этапом. Системы связи с поддержкой данного стандарта представляют собой многоточечную систему и имеют до 32 узлов в одиночной системе (с репитерами до 256).

Примерно в то же время, когда создавались упомянутые выше интерфейсы, используемые в таких приложениях, как компьютерные клавиатуры и мыши, принтеры и оборудование для промышленной автоматизации, интерфейс CANbus проектировался как автомобильная коммуникационная платформа, предложенная Робертом Бошем (Robert Bosch), владельцем компании Robert Bosch GmbH, для снижения стоимости производства авто. Эта шина стала альтернативой традиционным толстым многожильным автомобильным кабелям и упростила их прокладку благодаря применению многоузловых шин. Впервые представленный в модели BMW‑850 в 1986 году, автомобильный CAN-интерфейс сэкономил в ней более 2 км различных проводов! Кроме того, было значительно сокращено количество разъемов, а оценочная экономия веса машины составила 50 кг . Так сложилось, что RS‑485 был предназначен для нужд промышленного рынка, а CAN - для автомобильного и транспортного сегмента, но постепенно он нашел место и в приложениях, скажем так, вне своей юрисдикции, то есть в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Благодаря своей высокой устойчивости при эксплуатации в непростых условиях, характерных для автомобильных приложений, возможностям защиты от сбоев и уникальной обработке сообщений CANbus теперь используется там, где прежде никогда не был распространен. Нынешние рыночные тенденции демонстрируют все более широкое внедрение CANbus, порой заменяющего RS‑485 в традиционных индустриальных программах.

Согласно рыночным отчетам, применение CANbus увеличивается в разы, что является исключительным фактом для рынка интерфейсов. И хотя отчеты не разделяют промышленные и автомобильные рынки, многие согласны с тем, что промышленные рынки составляют около 20–30% от общего объема выпускаемой продукции. Рост использования интерфейсов в автомобильной промышленности можно объяснить распространением электроники, установленной сегодня в автомобилях. Современные автомобили имеют сложные микропроцессорные системы, необходимые для таких функций, как резервные камеры, автоматическая парковка, информационно-развлекательные системы, распознавание слепых зон и многое другое. Появление данных подсистем связано с увеличением числа датчиков и микроконтроллеров в авто, требующихся для обработки информации от всех сложных систем, действующих внутри машины. Еще в 1990‑х годах многие автопроизводители начали переход от ручного переключения передач к автоматическим, а позже и к коробкам передач с электронным управлением, основанным на поступающих на микроконтроллер данных о скорости, положении дроссельной заслонки и информации от барометрических датчиков. Сегодня на одном транспортном средстве можно насчитать свыше 100 датчиков и микроконтроллеров, многие из которых общаются по шине CAN. Даже полностью электрический автомобиль Tesla S имеет внутри 65 микроконтроллеров .

На индустриальном рынке также наблюдается рост внедрения интерфейса CAN. Промышленные CAN-приложения имеют достаточно широкий охват и устанавливаются в самых разнообразных приложениях - от коммерческих беспилотных летательных аппаратов (дронов) до элементов управления лифтом и даже газонокосилками коммерческого назначения. Поставщики микросхем признают этот факт и разрабатывают продукты для удовлетворения все возрастающей потребности в CAN вне традиционного рынка автомобильной промышленности. Другой фактор, способствующий увеличению применения CAN в индустриальной сфере, - это переход многих инженеров‑автомобилестроителей в промышленный сегмент, где они, естественно, применили свой опыт работы с шиной CAN и ее уникальные преимущества. Еще одна причина внедрения интерфейса CAN на промышленном рынке связана с присущей ему отказоустойчивостью и способностью эффективно обрабатывать кадры сообщений на многоузловой шине.

Для того чтобы объяснить преимущества CAN по отношению к RS‑485, лучше всего оценить сходства и различия между двумя стандартами - ISO 11898-2-2016 и TIA/EIA‑485 (сейчас действует ANSI TIA/EIA‑485‑A) соответственно. Оба стандарта определяют уровни приемопередатчиков, которые представлены на диаграмме (рис. 1) для стороны передачи.

Оба протокола имеют дифференциальный выходной сигнал. Выход RS‑485 представляет собой классический дифференциальный сигнал, в котором один сигнал является инвертированным, или зеркальным отражением другого. Выход A - неинвертирующая линия, а выход B - инвертирующая линия. Дифференциальный диапазон +1,5…+5 В равен логической 1 или значению, а пределы –1,5…–5 В - логическому 0 или пробелу. Сигнал с уровнем, лежащим в диапазоне –1,5…+1,5 В, считается как неопределенный. Важно отметить, что когда RS‑485 не используется, то его выход пребывает в состоянии высокого импеданса.

У шины CAN выходной дифференциальный сигнал несколько иной. Так, здесь предусмотрено два выхода в виде CANH- и CANL-линий данных, которые являются отражением друг друга (рис. 1) и представляют собой инвертированную логику. В доминирующем состоянии (бит нуля, используемый для указания приоритета сообщения) CANH-CANL определяются как 0, когда напряжение на них составляет +1,5…+3 В. В рецессивном состоянии (1 бит и состоянии незанятой шины) сигнал драйвера определяется как логическая 1, когда дифференциальное напряжение находится в диапазоне –120…+12 мВ или в приближении к нулю.

Рис. 1. Сравнение допустимых уровней выходных дифференциальных сигналов драйверов RS 485 и CAN

Для стороны приемника стандарт RS‑485 определяет входной дифференциальный сигнал, когда он находится в пределах ±200 мВ…+5 В. Для CAN входной дифференциальный сигнал составляет +900 мВ…+3 В, а рецессивный режим находится в диапазоне –120…+500 мВ. Когда шина пребывает в режиме ожидания или когда не загружена и трансивер находится в рецессивном состоянии, напряжения на линиях CANH и CANL должны быть в рамках 2–3 В.

Как RS‑485, так и CAN имеют необходимый технологический запас по уровням распознавания для работы в приложениях, в которых сигнал может быть ослаблен из-за характеристик и качества используемого кабеля (экранированного или неэкранированного) и длины кабелей, что может сказаться на емкости подключения системы. Для сравнения допустимых уровней входных дифференциальных сигналов со стороны приемника RS‑485 и CAN следует обратиться к рис. 2.

Рис. 2. Сравнение допустимых уровней входных дифференциальных сигналов для RS 485 и CAN со стороны приемника

Кроме того, оба стандарта имеют нагрузочные согласующие резисторы с одинаковым значением 120 Ом, устанавливаемые на концах линии. Эти резисторы необходимы, чтобы обеспечить согласование линии связи по волновому сопротивлению линии передачи и тем самым избежать отражения сигнала. Другие технические характеристики, такие как скорость передачи данных и количество допустимых узлов, носят информационный характер, а не являются строгими требованиями, подлежащими обязательному выполнению. Для удовлетворения нужд рынка большинство выпускаемых RS‑485- и CAN-трансиверов превышает стандартную скорость передачи данных и допустимое количество узлов. Например, интегральный полудуплексный трансивер RS‑485 индустриального класса из микросхемы MAX22500E от компании Maxim достиг скорости в 100 Мбит/с. А новый стандарт CAN-FD, ISO 11898-2:2016, хотя и определяет временные характеристики для скоростей 2 и 5 Мбит/с, но не ограничивает скорость передачи данных значением 5 Мбит/с. CAN-трансиверы превысят требования своего стандарта так же, как и приемопередатчики RS‑485. Что касается устойчивости к синфазному сигналу, параметр CMR (Common-Mode Range, диапазон синфазных напряжений) для RS‑485 составляет –7…+12 В и для CAN –2…+7 В.

Однако многим приложениям требуется более высокая производительность в части CMR, что относится к обоим типам рассматриваемых интерфейсов. Это связано с тем, что они в основном используются для многоузловых шин, а их узлы могут иметь источники питания с разными силовыми трансформаторами или кабели находиться в непосредственной близости к оборудованию с достаточно мощными переменными электромагнитными полями, способными повлиять на заземление между узлами системы. Таким образом, учитывая множество самых различных приложений, работающих в жестких условиях индустриальной среды, часто требуется более высокая устойчивость CMR, выходящая за пределы стандартных уровней –7…+12 В.

Для решения этой проблемы существуют приемопередатчики RS‑485 и CAN нового поколения, которые имеют значительно более широкий диапазон устойчивости к воздействию синфазной помехи, а именно до ±25 В. На диаграмме, приведенной на рис. 3, представлен флуктуирующий диапазон синфазного сигнала для приемопередатчика RS‑485. Несмотря на то, что сигнал синфазного напряжения растет вверх и вниз, пока уровень синфазного напряжения (VCM) находится в пределах допустимого диапазона, он не влияет на дифференциальный сигнал шины и приемник способен принимать и распознавать сигнал на линии без ошибок. Диаграмма на рис. 3 показывает допустимый диапазон изменения синфазного сигнала для RS‑485.

Рис. 3. Пояснение параметра CMR на примере трансивера RS 485

Еще одна особенность, присущая как приемопередатчикам CAN, так и RS‑485, - защита от сбоев. Устройства с защитой от ошибок имеют внутреннюю цепь защиты от воздействия повышенного напряжения на выходы драйвера входа приемника. Это необходимо, чтобы уберечь устройства от случайных коротких замыканий между локальным источником питания и линиями передачи. В данном направлении микросхемы компании Maxim занимают лидирующее положение в отрасли. Они, как, например, широко используемая и в настоящее время MAX13041, гарантируют уровни защиты от сбоев до ±80 В и даже с некоторым дополнительным запасом до полного пробоя и выхода цепи защиты из строя . Причем важно то, что этот уровень защиты гарантируется независимо от того, подано питание на трансивер или он обесточен.

Среди основных причин того, почему в индустриальных приложениях предпочтение отдается CAN-, а не RS‑485‑трансиверам, следует назвать и способ обработки сообщений на шине. В мультиузловой системе, используемой для общения с микропроцессором RS‑485, могут быть случаи, когда несколько сообщений отправляются одновременно. Что иногда приводит к коллизиям, иначе известным как конкуренция. Если подобное происходит, состояние шины может оказаться неверным или неопределенным, что вызовет ошибки данных. Кроме того, такая конкуренция может повредить или ухудшить параметры производительности, когда несколько трансиверов RS‑485 на шине находятся в одном, а один приемопередатчик - в противоположном состоянии. Тогда от одиночного передатчика RS‑485 может потребоваться довольно значительный ток, который, вероятно, вызовет отключение микросхемы из-за превышения максимально допустимой температуры или даже приведет к необратимому повреждению системы. Здесь CANbus по сравнению с протоколом RS‑485 имеет большое преимущество. С помощью CANbus удается разрешить проблему передачи нескольких сообщений на линии путем ранжирования каждого из них.

Рис. 4. Формат кадра передачи данных CAN

Перед тем как приступить к работе по проектированию системы, инженеры назначают разные уровни задач. Ранее упоминалось, что CAN имеет доминантное и рецессивное состояние. Во время передачи сообщение с более высоким назначенным доминантным состоянием «выигрывает» конкуренцию и будет продолжать передачу, в то время как другие узлы с более низким приоритетом будут видеть доминирующий бит и прекратят передавать данные. Этот метод называется арбитражем, где сообщения приоритетны и принимаются в порядке их статуса. Узел, который проигрывает в результате более низкого назначенного приоритета, повторно отправит свое сообщение, когда его уровень окажется доминирующим. Это продолжается для всех узлов, пока они не выполнят передачу. На рис. 4 более подробно рассмотрен формат кадра данных сообщения в протоколе CAN. Эта временная диаграмма и таблица 1 наглядно демонстрируют, где и как происходит арбитраж.

Таблица 1. Формат кадра передачи данных в протоколе CAN

Арбитраж разрешается во время передачи идентификатора, пример данной ситуации показан в таблице 2. Вне зависимости от топологии сети, даже с новым стандартом CAN-FD, фаза арбитража ограничена скоростью передачи 1 Мбит/с. Но фаза поля данных ограничена только характеристиками приемопередатчика, то есть она может проходить намного быстрее.

Таблица 2. Узел 3 в результате арбитража уступает шину узлу 1 на третьем бите

Помимо арбитража, уровень канала передачи данных (уровень 2 модели OSI) также способствует повышению надежности всей системы CAN в целом. На этом уровне сообщение кадра неоднократно проверяется на предмет точности и наличия ошибок. Если сообщение получено с ошибками, отправляется кадр ошибки. Он содержит флаг ошибки (Error Flag), который состоит из 6 бит одинакового значения (таким образом нарушая правило вставки битов) и разграничителя ошибки (Error Delimiter), состоящего из 8 рецессивных бит.

Разграничитель ошибки предоставляет определенное пространство, где другие узлы шины могут отправлять свои флаги ошибки после того, как сами обнаружат первый флаг ошибки. С точки зрения уровня сообщений циклическая проверка избыточности (CRC) защищает информацию в кадре добавлением избыточных контрольных битов в конце передачи, которые затем проверяются на принимающей стороне. Если они не совпадают, возникает ошибка CRC. Затем следует контроль фрейма (кадра), который определяет правильность структуры, проверяя битовые поля на фиксированный формат и размер кадра бит-разделителя SOF, EOF, ACK и CRC.

С точки зрения битового уровня существует три проверки на наличие ошибок: подтверждение, контроль бит и набивка бит. Ошибки подтверждения обнаруживаются, когда передатчик не считывает доминантный бит ACK (0). Это указывает на ошибку передачи, обнаруженную получателями, что означает, что ACK был поврежден или не было приемников. Бит-мониторинг проверяет уровень шины для каждого узла для отправленных и принятых бит. Битовая подстановка - метод, который «наполняет» или вставляет дополнительный противоположный бит, когда пять из тех же самых бит встречаются последовательно. Противоположный бит помогает различать кадры ошибок и биты EOF. На принимающей стороне дополнительный бит удаляется. Если шестой бит такой же, как и предыдущие пять, тогда ошибка обнаруживается всеми CAN-узлами и отправляются кадры ошибок. В этом случае оригинальное сообщение необходимо передать повторно, пройдя, естественно, через арбитраж, если на линии есть конфликт.

Подводя итог дискуссии, можно сделать краткий вывод: если рассматривать системы «точка-точка», требующие высокой скорости обмена данными, то здесь, благодаря более высокой скорости и простому кадру, несомненно в выигрыше оказывается интерфейс RS‑485. Но в мультиузловых системах с возможными коллизиями и на скоростях не выше 1 Мбит/с явное преимущество остается за CAN, особенно при организации связи в системе оборудования, работающего в жестких условиях индустриальной среды, в широком диапазоне рабочих температур (для упомянутого ранее MAX13041 –40…+125 °С) и при высоком уровне внешних воздействий, не говоря уже о его «родном поле деятельности» - автомобильной и транспортной сферах.

Как известно, многие системы либо подвергаются воздействию электромагнитных помех, либо страдают от ошибок обслуживающего персонала, который может по невнимательности подать питающее напряжение на линии связи. В этом отношении трансиверы CAN отличаются высокой надежностью, устойчивостью к воздействию значительных разрядов статического электричества и хорошим уровнем защиты от сбоев. Относительный недостаток CAN, а именно то, что передачу слушают все приемники на линии, легко устранить, используя имеющийся в составе кадра передачи идентификатор, да и большой беды в этом, как правило, нет.

Благодаря таким возможностям CAN, как арбитраж, проверка сообщений об ошибках, улучшенная пропускная способность и большее поле данных, легко понять привлекательность CANbus по сравнению с RS‑485 на рынке промышленного оборудования средств автоматизации. CAN-системы могут уделять первоочередное внимание важности сообщений кадров и надлежащим образом обрабатывать критические. Все это позволяет использовать трансиверы CAN, в том числе и от компании Maxim, в аппаратуре самого широкого назначения, а для различных областей применения данная компания также предлагает высокоэффективные интерфейсы с гальванической развязкой .

Под обозначениями RS-232, RS-422 и RS-485 понимаются интерфейсы для цифровой передачи данных. Стандарт RS-232 более известен как обычный СОМ порт компьютера или последовательный порт (хотя последовательным портом также можно считать Ethernet, FireWire и USB). Интерфейсы RS-422 и RS-485 широко применяются в промышленности для соединения различного оборудования.

В таблице приведены основные отличия интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485.

* Для интерфейса RS-232 не обязательно использовать все линии контактов. Обычно используются линии данных TxD, RxD и провод земли GND, остальные линии необходимы для контроля над потоком передачи данных. Подробнее вы узнаете далее в статье.

Информация, передаваемая по интерфейсам RS-232, RS-422 и RS-485, структурирована в виде какого-либо протокола, например, в промышленности широко распространен протокол Modbus RTU.

Описание интерфейса RS-232

Интерфейс RS-232 (TIA/EIA-232) предназначен для организации приема-передачи данных между передатчиком или терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE ) и приемником или коммуникационным оборудованием (англ. Data Communications Equipment, DCE ) по схеме точка-точка.

Скорость работы RS-232 зависит от расстояния между устройствами, обычно на расстоянии 15 метров скорость равна 9600 бит/с. На минимальном расстоянии скорость обычно равна 115.2 кбит/с, но есть оборудование, которое поддерживает скорость до 921.6 кбит/с.

Интерфейс RS-232 работает в дуплексном режиме, что позволяет передавать и принимать информацию одновременно, потому что используются разные линии для приема и передачи. В этом заключается отличие от полудуплексного режима, когда используется одна линия связи для приема и передачи данных, что накладывает ограничение на одновременную работу, поэтому в полудуплексном режиме в один момент времени возможен либо прием, либо передача информации.

Информация по интерфейсу RS-232 передается в цифровом виде логическими 0 и 1.

Логическому «0» (SPACE) соответствует напряжение в диапазоне от +3 до +15 В.

В дополнение к двум линиям приема и передачи, на RS-232 имеются специальные линии для аппаратного управления потоком и других функций.

Для подключения к RS-232 используется специальный разъем D-sub, обычно 9 контактный DB9, реже применяется 25 контактный DB25.

Разъемы DB делятся на Male – «папа» (вилка, pin) и Female – «мама» (гнездо, socket).

Распиновка разъема DB9 для RS-232

Распайка кабеля DB9 для RS-232

Существует три типа подключения устройств в RS-232: терминал-терминал DTE-DTE, терминал- коммуникационное оборудование DTE-DCE, модем-модем DCE-DCE.

Кабель DTE-DCE называется «прямой кабель», потому что контакты соединяются один к одному.

Кабель DCE-DCE называется «нуль-модемный кабель», или по-другому кросс-кабель.

Ниже приведены таблицы распиновок всех перечисленных типов кабеля, и далее отдельно представлена таблица с переводом основных терминов на русский язык.

Распиновка прямого кабеля DB9 для RS-232

Распиновка нуль-модемного кабеля DB9 для RS-232

Таблица с распиновкой разъемов DB9 и DB25.

Для работы с устройствами RS-232 обычно необходимо всего 3 контакта: RXD, TXD и GND. Но некоторые устройства требуют все 9 контактов для поддержки функции управления потоком передачи данных.

Структура передаваемых данных в RS-232

Одно сообщение, передаваемое по RS-232/422/485, состоит из стартового бита, нескольких бит данных, бита чётности и стопового бита.

Стартовый бит (start bit) - бит обозначающий начало передачи, обычно равен 0.

Данные (data bits) – 5, 6, 7 или 8 бит данных. Первым битом является менее значимый бит.

Бит четности (parity bit) – бит предназначенный для проверки четности. Служит для обнаружения ошибок. Может принимать следующие значения:

• Четность (EVEN), принимает такое значение, чтобы количество единиц в сообщении было четным
• Нечетность (ODD), принимает такое значение, чтобы количество единиц в сообщении было нечетным
• Всегда 1 (MARK), бит четности всегда будет равен 1
• Всегда 0 (SPACE), бит четности всегда будет равен 0
• Не используется (NONE)

Стоповый бит (stop bit) – бит означающий завершение передачи сообщения, может принимать значения 1, 1.5 (Data bit =5), 2.

Например, сокращение 8Е1 обозначает, что передается 8 бит данных, используется бит четности в режиме EVEN и стоп бит занимает один бит.

Управление потоком в RS-232

Для того чтобы не потерять данные существует механизм управления потоком передачи данных, позволяющий прекратить на время передачу данных для предотвращения переполнения буфера обмена.

Есть аппаратный и программный метод управления.

Аппаратный метод использует выводы RTS/CTS. Если передатчик готов послать данные, то он устанавливает сигнал на линии RTS. Если приёмник готов принимать данные, то он устанавливает сигнал на линии CTS. Если один из сигналов не установлен, то передачи данных не произойдет.

Программный метод вместо выводов использует символы Xon и Xoff (в ASCII символ Xon = 17, Xoff = 19) передаваемые по тем же линиям связи TXD/RXD, что и основные данные. При невозможности принимать данные приемник передает символ Xoff. Для возобновления передачи данных посылается символ Xon.

Как проверить работу RS-232?

При использовании 3 контактов достаточно замкнуть RXD и TXD между собой. Тогда все переданные данные будут приняты обратно. Если у вас полный RS-232, тогда вам нужно распаять специальную заглушку. В ней должны быть соединены между собой следующие контакты:

Описание интерфейса RS-422

Интерфейс RS-422 похож на RS-232, т.к. позволяет одновременно отправлять и принимать сообщения по отдельным линиям (полный дуплекс), но использует для этого дифференциальный сигнал, т.е. разницу потенциалов между проводниками А и В.

Скорость передачи данных в RS-422 зависит от расстояния и может меняться в пределах от 10 кбит/с (1200 метров) до 10 Мбит/с (10 метров).

В сети RS-422 может быть только одно передающее устройство и до 10 принимающих устройств.

Линия RS-422 представляет собой 4 провода для приема-передачи данных (2 скрученных провода для передачи и 2 скрученных провода для приема) и один общий провод земли GND.

Скручивание проводов (витая пара) между собой позволяет избавиться от наводок и помех, потому что наводка одинаково действует на оба провода, а информация извлекается из разности потенциалов между проводниками А и В одной линии.

Напряжение на линиях передачи данных может находится в диапазоне от -6 В до +6 В.

Логическому 0 соответствует разница между А и В больше +0,2 В.

Логической 1 соответствует разница между А и В меньше -0,2 В.

Стандарт RS-422 не определяет конкретный тип разъема, обычно это может быть клеммная колодка или разъем DB9.

Распиновка RS-422 зависит от производителя устройства и указывается в документации на него.

При подключении устройства RS-422 нужно сделать перекрестие между RX и TX контактами, как показано на рисунке.

Т.к. расстояние между приемником и передатчиком RS-422 может достигать 1200 метров, то для предотвращения отражения сигнала от конца линии ставится специальный 120 Ом согласующий резистор или "терминатор". Этот резистор устанавливается между RX+ и RX- контактами в начале и в конце линии.

Как проверить работу RS-422?

Для проверки устройств с RS-422 лучше воспользоваться конвертером из RS-422 в RS-232 или USB (I-7561U). Тогда вы сможете воспользоваться ПО для работы с СОМ портом.

Описание интерфейса RS-485

В промышленности чаще всего используется интерфейс RS-485 (EIA-485), потому что в RS-485 используется многоточечная топология, что позволяет подключить несколько приемников и передатчиков.

Интерфейс RS-485 похож на RS-422 тем что также использует дифференциальный сигнал для передачи данных.

Существует два типа RS-485:

• RS-485 с 2 контактами, работает в режиме полудуплекс
• RS-485 с 4 контактами, работает в режиме полный дуплекс

В режиме полный дуплекс можно одновременно принимать и передавать данные, а в режиме полудуплекс либо передавать, либо принимать.

В одном сегменте сети RS-485 может быть до 32 устройств, но с помощью дополнительных повторителей и усилителей сигналов до 256 устройств. В один момент времени активным может быть только один передатчик.

Скорость работы также зависит от длины линии и может достигать 10 Мбит/с на 10 метрах.