Томас Кюгельштадт (Thomas Kugelstadt), инженер по применению, Texas Instruments
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что устройства защиты, позволяющие избежать аварий при отказе, встраиваются во все приемопередатчики RS-485, до сих пор производятся микросхемы, не имеющие этой особенности. Разработчикам, применяющим такие компоненты, необходимо знать, как защитить устройство в случае отказа. В статье рассказывается, каким образом можно построить защиту интерфейса от аварий, вводя внешнее смещение, и предлагается экономичный вариант решения этой проблемы.
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ
Спецификация RS-485 предусматривает, что при высоком логическом уровне дифференциальное напряжение VAB > 200 мВ, а при низком логическом уровне VAB < –200 мВ. При входном напряжении: –200 мВ < VAB < 200 мВ, выходное состояние приемника не определено, и может случайно принимать любое из двух значений, соответствующее низкому или высокому логическому уровню.
Современные приемники RS-485 проектируются с внутренним смещением так, чтобы при неопределенном входном напряжении (–200 мВ < VAB < 200 мВ) «притянуть» выход к вполне определенному, как правило, высокому логическому уровню. Возможны три причины потери входного сигнала:
- разомкнутая цепь, появившаяся в результате обрыва провода или непреднамеренного отключения приемника от шины;
- короткое замыкание из-за нарушения изоляции;
- шина находится в режиме холостого хода, когда все передатчики неактивны. Это не аварийная ситуация, но она возникает регулярно, когда контроллер шины переключает драйверы, чтобы не допустить конфликтной ситуации на шине.
Современные приемопередатчики имеют встроенную защиту от всех вышеназванных рисков, однако устаревшие, но все еще производимые и используемые компоненты подобной защиты лишены. В этом случае необходимо внешними резисторами обеспечить смещение, чтобы избежать возможных аварийных ситуаций в системе.
ВНЕШНЕЕ СМЕЩЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННОЙ ШИНЫ
На рисунке 1 показана шина RS-485 с распределенными сетевыми узлами. Если все приемопередатчики, подключенные к шине, пассивны, дифференциальное напряжение VAB равно примерно 0 В и, как указывалось выше, на выходе приемника случайным образом может появиться любой логический уровень. Для того чтобы избежать неопределенности, с помощью резистора RFS, а также резисторов RT1 и RT2 вводится смещение, позволяющее установить на шине достаточное пороговое напряжение VIT на входе ресивера. На рисунке 2 показана эквивалентная схема шины RS-485 с резистором смещения RFS, резисторами RT1 и RT2. Входные сопротивления приемопередатчиков отражены эквивалентным сопротивлением RINFQ, отражающим синфазное сопротивление приемопередатчиков, подключенных к шине.
Рис. 1. Сеть RS-485 с внешними резисторами смещения
Рис. 2. Эквивалентная схема с резисторами передатчика
Рис. 3. Окончательная схема сети RS-485 с указанием номинальных величин сопротивлений
Ниже приведены расчетные соотношения, позволяющие вычислить параметры схемы. Уравнения для узла А выглядят следующим образом:
(VS – VA)/RFS = (VA – VB)/RT2 + (VA – VB)/RT1 + VA/RINFQ,
отсюда получаем:
VA = RINFQ × [(VS – VA)/RFS – (VA – VB) × (1/RT1 + 1/RT2)].
Уравнения для узла B:
(VA – VB)/RT2 + (VA – VB)/RT1 = VB/ RFS + VB/ RINFQ,
и тогда:
VB = RINFQ × (VA – VB) × (1/RT1 + 1/RT2) – VB/ RINFQ]
Таким образом, дифференциальное напряжение VAB определится уравнением (1).
VAB = (VS/RFS) × 1/ [1/ RINFQ + 1/RFS + 2 (1/RT1 + 1/RT2)] (1)
Величина зависит от параметров шины и требований стандартов.
- В стандарте RS-485 оговорено, что максимальная нагрузка (минимальное значение синфазных сопротивлений) должна быть RCM = 375 Ом. Резисторы смещения также вносят вклад в нагрузку, как это показано в соотношении (2).
RFS || RINFQ = RCM или 1/ RINFQ + 1/ RFS = 1/375 Ом (2)
- Кабель без смещающей цепи обычно подключается к резистору RT1, который определяет величину кабельного импеданса. Для RS-485 величина RT1 = 120 Ом или
1/ RT1= 1/120 Ом (3)
- При нормальной работе смещающие резисторы подключены параллельно резистору RT2 относительно выхода драйвера. Таким образом, согласованный импеданс линии составляет:
RT2 || 2RFS = Z0 или 1/ RT2 = 1/120 – 1/2RFS (4)
С учетом (2), (3) и (4) выражение (1) можно упростить:
VAB = VS/(0.036RFS – 1) (5)
отсюда определим RFS:
RFS = (1 + VS/VAB) × 27.8 Ом (6)
Заметим, что постоянная 27.8 Ом отражает синфазную нагрузку и сопротивление линии, предусмотренные стандартом RS-485. Рассмотренная схема должна работать при самых худших условиях, поэтому значение сопротивления следует вычислять при минимальном напряжении питания VS(min) = 4.75 В. Такое значение получается при стандартном питании 5 В и разбросе ±5%, также следует учесть и шум, обычно всегда присутствующий на шине. Для хорошо сбалансированной системы величина шума обычно не превышает 50 мВ. Таким образом, пороговое напряжение на входе приемника с учетом шума должно быть:
VAB = VIT + VNoise = 200 мВ + 50 мВ = 250 мВ.
С учетом всех вышеизложенных соображений значение RFS составит:
RFS = [(4.75 В/0.25 В) + 1] × 27.8 Ом = 566 Ом.
Из ряда Е96 выбираем номинальное значение сопротивления 549 Ом. Уменьшение номинала по сравнению с расчетным означает, что падение напряжения на резисторе RT2 окажется незначительно выше. Воспользовавшись (4), определим RT2.
RT2 = 1/ (1/120 Ом – 1/2 RFS) = 1/(1/120 Ом – 1/2 × 549 Ом) = 134 Ом.
Выбираем ближайшее значение из ряда Е96 и получаем RT2 = 133 Ом. Дифференциальное сопротивление составит RT1|| RT2||2RFS = 59.7 Ом. Как уже отмечалось, смещающая цепочка увеличивает синфазную нагрузку, поэтому необходимо определить максимальное число приемопередатчиков на линии. Согласно (2) получаем:
RINFQ = 1/(1/RCM – 1|RFS) = 1/(1/375 Ом – 1/549 Ом) = 1.183 кОм
Максимальное число приемопередатчиков nMAX определяется делением типового значения сопротивления приемопередатчика (по-английски величина unit loads (UL)) на величину RINFQ.
nMAX = UL/ RINFQ = 12 кОм/1.183 кОм = 10.14.
Таким образом, максимум 10 стандартных трансиверов UL или 20 × 0.5UL или 80 × 0.125UL могут быть подключены к шине. На рисунке 3 показана окончательная схема с выбранными номиналами резисторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье приведен исчерпывающий расчет смещающей цепочки для устаревших микросхем, в которых отсутствует подобного рода смещение, обеспечивающее устойчивую работу устройств. Использование современных приемопередатчиков, таких как SN65HVD308xE от Texas Instruments, уменьшает число внешних компонентов. Экономичные микросхемы обеспечивают отказобезопасность в случаях обрыва цепи, короткого замыкания и ненагруженной шины, когда все передатчики пассивны, а также обеспечивают значение 0.125UL, что означает возможность подключения до 256 устройств на шину (напомним, что для этой микросхемы не требуется внешних смещающих цепочек).
ЛИТЕРАТУРА
1. Interface Circuits for TIA/EIA-485 (RS-485), Application Report// http://focus.ti.com/lit/an/slla036d/slla036d.pdf
2. www.interface.ti.com
3. www.ti.com/sc/device/SN65HVD3080E
