Какая максимальная длина линии rs 485 без повторителей интерфейсов для с2000 usb
Обновлено: 07.07.2024
Хоть и написано для С2000, но те же настройки и в С2000М.
А в чем вопрос-то?
Не вижу никакой целесообразности данного предприятия. Если бы кольцо было непрерывно, а не подключаемые ветви, тогда да, при обрыве интерфейса между двумя приборами система работает по двум "плечам". А в данном случае все равно часть системы погибает. Ну и смысл?
Кольцевой интерфейс в проекте на пожарку. Надо реализовывать. Время в периодах указал максимальное. Но, после вывода пульта из режима программирования, СП1 постоянно щёлкает реле. Через некоторое время периодичность переключения меняется. Но никак не соответствует временным параметрам которые я выставил в пульте.
А при чем тут выход из режима программирования не пойму?
Период 1 и Период 2 ведь настраиваются из меню самого пульта. Давайте уточним кое чего:
1. Какие величины стоят у периода 1 и периода 2.
2. К СП1 в конфигурации самого пульта не привязали ли случайно какую нибудь программу к реле.
Вот Вам еще в качестве бонуса шпаргалка по меню пульта С2000М:
на первой странице как раз таки выделены красным цветом настройки для кольцевого интерфейса.
Пульт 2.07.
После выхода из режима программирования пульт ищет приборы. В это время реле СП1 переключаются с периодичностью от 0,5 до 2 сек. После того как пульт опросил приборы реле продолжают переключаться но временной промежуток уже порядка нескольких секунд. Т.е. временной промежуток переменный. Не понятно от чего зависит.
В пульте параметры Период 1 - 255 (мин), Период 2 - 255 (сек).
В конфигурации С2000М к реле СП1 не привязаны разделы. Программа управления не назначена, стоит параметр: нет. Сценарии управления тоже не назначены этим реле. В конфигурации СП1 начальное состояние всех реле : 2 (выключено)
Поставьте периоды по умолчанию, т.е период 1=240, а период 2=2.
Такие периоды стояли в начале наладки объекта. Было тоже самое. :(
В конфигурации пульта лишних приборов нет? И все ли приборы находит пульт? СП-1, которая переключает RS485 в конфигурации не должно быть.
В рабочем режиме после включения пульта идет опрос ветвей и приборов с переключением реле, а потом согласно периоду 1 идет переключение для проверки целосности кольца. При обрыве реле постоянно переключается.
Лишних приборов нет. В нормальном режиме период переключения никак не совпадает с выставленными 255 мин. При отсутствии контакта с каким-либо прибором (аварийный режим) тоже время никак не 255 сек.
Кольцевой интерфейс запустил только на одном объекте. На двух объектах не получается. Настройки сравнивал.
Может проблема в ПИ? Попробуйте подключить интерфейс напрямую к ПКУ как радиальный - все ли приборы найдутся.
У меня 3 таких обьекта, настройки ПКУ по умолчанию - проблем в наладке небыло.
Видимо, ошибка как раз и кроется в постоянном обрыве связи с частью приборов. Надо пробовать запускать интерфейс "без кольца", а когда все устаканится, подключать "кольцо".
Добрался до одного объекта. Установил переключатели в ПИ на 120 Ом и реле "успокоилось". Переключается только пару минут после вывода пульта из режима программирования (пока не опросит все приборы). Потом, как я и настроил - каждые 4 часа.
Может кто имеет опыт создании кольцевого интерфейса при помощи репитера Р485 производства Ровалэнт?
RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.
Как было сказано выше стандарт содержит электрические характеристики приемников и передатчиков, которые могут быть использованы для передачи двоичных сигналов в многоточечных сетях, при этом стандарт не оговаривает другие характеристики: такие как качество сигнала, протоколы обмена, типы соединителей для подключения, линии связи. В результате неопределенности потребители часто испытывают трудности при подключении того или иного оборудования к сети RS-485. Порой неправильно разведенная сеть RS-485 способна свести к нулю затраченные на повышение автоматизации усилия, и может стать причиной постоянных отказов, сбоев и ошибок в работе оборудования. Цель данной статьи - предоставить пользователям рекомендации по подключению и практической реализации систем передачи данных на основе интерфейса RS-485.
1 Краткое описание стандарта
В основе интерфейса RS-485 лежит способ дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть данного метода заключается в следующем: по одному проводу (условно линия А) передается нормальный сигнал, а по второму проводу (условно линия В) передается инвертированный сигнал, таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов (рисунок 1). Для случая логической «единицы» разность потенциалов положительна, для логического «нуля» — отрицательна.
Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных
Преимуществом дифференциальной (балансной) передачи данных является высокая устойчивость к синфазным помехам. Синфазная помеха — помеха, действующая на обе линии связи одинаково. Зачастую линии связи прокладываются в местах подверженных неоднородным электромагнитным полям, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, будет наводить в обоих проводах потенциал. В случае RS-232 интерфейса полезный сигнал, который передается потенциалом относительно общего «земляного» провода был бы утерян. При дифференциальной передаче не происходит искажения сигнала в виду того, что помеха одинаково действует на оба проводника и наводит в них одинаковый потенциал, в результате чего разность потенциалов (полезный сигнал) остается неизменной. По этой причине линии связи интерфейса RS-485 представляют собой два скрученных между собой проводника и называются витой парой. Прямые выходы «А» подключаются к одному проводу, а инверсные «В» ко второму проводу (рисунок 2). В случае неправильного подключения выходов к линиям приемопередатчики не выйдут из строя, но при этом правильно функционировать они не будут.
Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485
2 Рекомендации по подключению
Конфигурация сети представляет собой последовательное присоединение приемопередатчиков к витой паре (топология «шина»), при этом сеть не должна содержать длинных ответвлений при подключении устройств, так как длинные ответвления вызывают рассогласования и отражения сигнала (рисунок 3).
Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.
Проблему отражений сигнала в интерфейсе RS-485 решают при помощи согласующих резисторов — «терминаторов», которые устанавливаются непосредственно у выходов двух приемопередатчиков максимально отдаленных друг от друга. Следует отметить, что в большинстве случаев «терминаторы» уже смонтированы в потребительских устройствах и подключаются к сети при помощи соответствующих перемычек на корпусе устройства. Номинал «терминатора» соответствует волновому сопротивлению кабеля, при этом нужно помнить, что волновое сопротивление кабеля зависит от его характеристик и не зависит от его длины. К примеру, для витой пары UTP-5, используемой для прокладки Ethernet волновое сопротивление составляет 100 ±15 Ом. Специализированный кабель Belden 9841…9844 для прокладки сетей RS-485 имеет волновое сопротивление 120 Ом, поэтому расчетами резистора — «терминатора» можно пренебречь и использовать 120 Ом.
Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485
Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.
Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.
Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи
Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.
Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.
Стандарт RS-485 (EIA/TIA-485) не регламентирует, по какому протоколу устройства сети должны связываться друг с другом. Наиболее распространенными протоколами связи на данный момент являются: Modbus, ProfiBus, LanDrive, DMX512 и другие. Передача информации осуществляется полудуплексно в большинстве случаев по принципу «ведущий» — «ведомый».
Порог чувствительности приемника составляет ± 200 мВ, то есть при разнице потенциалов на входе приемника в диапазоне от минус 200 мВ до плюс 200 мВ его выходное состояние будет находиться в состоянии неопределенности. Разность потенциалов более 200 мВ приемник принимает как логическую «1», а разность потенциалов менее минус 200 мВ приемник принимает как логический «0». Состояние неопределенности может произойти, когда ни один из передатчиков не активен, отключен от сети, либо находится в «третьем состоянии», либо все устройства сети находятся в режиме приема информации. Состояние неопределенности крайне нежелательно, так как оно вызывает ложные срабатывания приемника из-за несинфазных помех.
Использование защитного смещения позволяет исключить возможность возникновения неопределенного состояния в сети. Для этого линию А необходимо подтянуть резистором к питанию (pullup), а линию В резистором — к «земле» (pulldown). В результате, с учетом «терминаторов», получится резистивный делитель напряжения. Для надежной работы сети необходимо обеспечить смещение порядка 250…300 мВ (рисунок 5).
Рисунок 5 — Защитное смещение
Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.
Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:
Рассчитаем ток в цепи смещения:
При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:
Получаем сопротивление резисторов смещения:
Rсм = 1140 / 2 = 570Ом.
Выбираем ближайший номинал 560Ом.
Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения
Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.
Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.
Для гальванически развязанной линии резисторы смещения следует подтягивать к «земле» и питанию со стороны изолированной линии.
Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.
Если приборы, объединенные в одну сеть, питаются от различных источников или находятся на значительном удалении друг от друга, то необходимо дополнительным дренажным проводом объединить «земли» всех устройств. Это правило исходит из того, что разность потенциалов между линией и «землей» по стандарту не должна превышать от минус 7 до плюс 12 В. В случае, когда устройства находятся на значительном расстоянии друг от друга, либо питаются от разных источников разность потенциалов на входе приемопередатчика может превысить в несколько раз допустимый диапазон, что приведет к выходу из строя приемопередатчика. При этом следует учитывать, что подключение устройства к сети RS-485 нужно начинать именно с дренажного провода, а производя отключение устройства в последнюю очередь отсоединять дренажный провод. Для ограничения «блуждающих» токов в дренажном проводе его следует подключать к каждой сигнальной земле через резистор номиналом 100 Ом мощностью 0,5 Вт, помимо этого необходимо через такой же резистор 100 Ом 0,5 Вт подключить дренажный провод к защитному заземлению. Рекомендуем осуществлять защитное заземление дренажного провода в одной точке, чтобы исключить постоянное протекание «блуждающего» тока через него по сравнению со случаем, когда дренажный провод заземляется у каждого устройства. Не следует использовать экран кабеля в качестве дренажного провода.
Рисунок 7 — Использование дренажного провода для уравнивания
потенциала «земель»
Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.
Защита устройств сети RS-485 от дифференциальных перенапряжений составляющих десятки киловольт, например, попадание разряда молнии в линию, осуществляется за счет использования специальных защитных устройств. В простейшем случае все проводники линии шунтируются ограничителями напряжения на «землю» (рисунок 8а). Если заземление линии невозможно, то проводники линии шунтируются ограничителями между собой (рисунок 8б). Защита, организованная на варисторах, супрессорах, газоразрядных трубках, способна выдерживать лишь кратковременные всплески напряжения. Дополнительную защиту от токов короткого замыкания в линиях можно обеспечить при помощи установки в линию плавких предохранителей.
Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех
Как правило, устройства, работающие в сетях RS-485 помимо «терминаторов» имеют встроенную защиту от перенапряжений и импульсных помех. Подробнее об этом можно прочитать в руководстве по эксплуатации на конкретное устройство. Помимо этого на рынке существует множество готовых устройств подавления импульсных помех, принцип действия которых также основан на применении варисторов и газоразрядных трубок. Стоит лишь помнить, что каждое дополнительное устройство защиты, установленное в сети, вносит дополнительную емкость, эквивалентную емкости кабеля длинной 120…130 м.
1. Следует избегать прокладки витой пары совместно с силовыми цепями, особенно в общей оплетке. Линии связи должны находиться не ближе чем 0,5 м от силовых цепей. Пересечение линий связи с силовыми цепями (если этого не избежать) желательно делать под прямым углом. Не рекомендуется использовать в качестве витой пары кабели менее 0,326 мм 2 (22 AWG). Не допускается наличие «скруток» для сращивания кабеля.
2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.
3. Сеть должна иметь топологию «шина», не допускаются длинные ответвления от основной «шины».
4. Если для конечной системы не требуется высокого быстродействия, то не рекомендуется устанавливать скорость передачи данных «как можно выше». Наоборот максимальная надежность сети достигается на низких скоростях передачи.
5. Согласующие резисторы «терминаторы» устанавливаются в наиболее удаленных точках сети RS-485, обычно они уже смонтированы в устройствах пользователя, поэтому достаточно их только подключить перемычками или переключателями согласно руководству по эксплуатации на конкретное устройство. Сопротивление согласующих резисторов должно равняться волновому сопротивлению используемого кабеля, в противном случае их установка может только навредить.
6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.
7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.
8. При питании удаленного оборудования от различных источников рекомендуется использовать дренажный провод для уравнивания потенциала «земель», при этом следует помнить, что подключение устройства к сети следует начинать именно с дренажного провода, а при отключении устройства в последнюю очередь отключать дренажный провод.
9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.
10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.
Компания ООО «Энергия-Источник» предлагает следующие приборы для передачи и преобразования сигналов интерфейса RS-485:
Рекомендации по организации интерфейса RS-485 в системе "Орион"
1. Общая длина линии магистрального интерфейса RS-485, без использования специальных повторителей-ретрансляторов, может достигать 4000м. При этом предъявляются следующие требования к параметрам кабеля: сечение одной жилы кабеля должно быть не менее 0,2 мм
2 (диаметр жилы не менее 0,5мм), а погонная емкость между проводами линии А и В интерфейса не должна превышать 60пФ/м. Это дает суммарное сопротивление одной жиля провода 340Ом, и суммарную емкость в 240нФ.
2. Интерфейс RS-485 подразумевает структуру сети типа "шина". Включение приборов в сеть показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема подключения приборов к магистральному интерфейсу RS-485
ПКУ - пульт "С2000"
ПКП - приемно-контрольный прибор
ИП - источник питания 12В/24В
Для предотвращения влияния электростатических помех и искажения сигнала в результате отражения, линия должна быть нагружена с обоих концов согласующими резисторами. На приборах "Сигнал-20", "Сигнал-20П" и "С2000-4" согласующее сопротивление подключается, если установлена соответствующая перемычка на плате прибора. В приборах "С2000" и "С2000-КДЛ" согласующее сопротивление номиналом 620Ом следует подключать непосредственно к прибору, к клеммам интерфейса. На промежуточных приборах в линии перемычки необходимо снять. В том случае, если приборы объединенные в сеть питаются от различных источников, для устойчивого обмена по интерфейсу необходимо дополнительным проводом объединить цепи "0 В" всех приборов, входящих в сеть. В этом случае линия интерфейса становится 3-х проводной.
3. Не рекомендуется использовать конфигурацию отличную от "шины", однако, зачастую на объектах возникает необходимость создания сети типа "звезда". В этом случае суммарная емкость всех проводов не должна превышать 240нФ, а максимальное сопротивление одной жилы провода двух наиболее протяженных лучей не должно превышать 340Ом. Наиболее простые конфигурации типа "звезда" приведены на рисунке 2.
Рисунок 2. Построение конфигурации "звезда" без повторителей интерфейса
ПКУ - пульт "С2000"
ПКП - приемно-контрольный прибор
Тип кабеля линии интерфейса - КСПВ 4х0,5
Однако, в случае более сложной (многолучевой или древовидной) конфигурации, прежде чем дать заключение о работоспособности такой системы, необходимо провести ее анализ. Для этого необходимо знать общее количество лучей "звезды", длину каждого луча, количество приборов в луче, параметры кабеля, который используется для организации сети. В большинстве случаев проблему сложной конфигурации можно решить с помощью повторителей-ретрансляторов интерфейса.
4. В тех случаях, когда длины интерфейса в 4000м недостаточно, а также для построения конфигурации "звезда" предлагаем использовать специальные повторители-ретрансляторы интерфейса RS-485. Каждый такой повторитель позволяет увеличить длину линии до 1500м и осуществить гальваническую развязку сегментов линии между собой. В этом случае цепи "0 В" приборов необходимо объединять только на участках, которые гальванически связаны между собой. На рисунке 3 показан способ увеличения длины линии за счет повторителей интерфейса. На рисунке 4 показан способ построения "звезды" с использованием повторителей.
Рисунок 3. Увеличение длины линии за счет повторителей интерфейса
ПКУ - пульт "С2000"
ПКП - приемно-контрольный прибор
П - повторитель интерфейса
Рисунок 4. Построение конфигурации "звезда" при помощи повторителей интерфейса
ПКУ - пульт "С2000"
ПКП - приемно-контрольный прибор
П - повторитель интерфейса
При построении сети для общения между большим количеством устройств, можно задуматься: а какой интерфейс выбрать? У каждого интерфейса есть свои плюсы и минусы, которые определяют их применение: CAN – автомобилестроение, RS485/RS232 – промышленность, Ethernet – потребительская электроника/сервера. Какие “фичи” микросхемы приёмопередатчика помогают обезопаситься от множества проблем при монтаже и эксплуатации? Как происходит процесс измерений и исследования микросхем приемопередатчиков? Новая микросхема RS485 готова к выходу на рынок!
RS485 – что ты такое?
Итак, прежде, чем говорить о самой микросхеме необходимо разобраться что из себя представляет сам стандарт передачи данных.
В RS-485 для передачи и приёма данных используется витая пара. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов, а это в свою очередь обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Разница напряжений одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности означает логический ноль.
Устойчивость к синфазной помехе
Устойчивость к синфазной помехе является очень важным свойством для приемопередатчиков данного типа – когда к сети подключено множество устройств, очень часто возникают всплески напряжения.
На практике для реализации топологии RS485 нужны микросхемы приемо-передатчиков. При этом, разумеется, характеристики микросхемы должны полностью соответствовать требованиям стандарта.
По интерфейсу RS485 при организации сети микросхема, которая передает информацию называется Master, а которая принимает информацию — Slave. Максимальное количество устройств в линии может быть 256.
Типовая схема применения микросхем приемо-передатчиков RS485
Для того, чтобы создать сеть на основе RS485 для микроконтроллеров, необходимо использовать дополнительную микросхему приемопередатчика. Микроконтроллер подключается к ней по протоколу UART после чего приемопередатчик начинает вещание.
Мы уже выпускаем серийно микросхему К5559ИН10БSI, но ввиду того как быстро увеличиваются объемы данных, которые передают контроллеры скорости 2.5Мбит уже не достаточно. Итак далее будем рассматривать нашу новую микросхему К5559ИН86SI – теперь 30 Мбит. Возникает вопрос: зачем вообще тратить деньги на разработку данной схемы?
Новое поколение RS485 — К5559ИН86SI
И правда, зачем выпускать микросхему, аналогов которой на рынке большое множество? Тут, наверное, можно выделить несколько причин:
- Электросчетчики. Мы долгое время занимаемся разработкой счетчиков, и постепенно переходим на свою элементную базу (контроллер для счетчика). В большинстве счетчиков применяется микросхема RS485 предыдущего поколения — К5559ИН10БSI, однако с каждым годом растут объемы передаваемых данных, поэтому необходимо повышать скорость приемопередатчиков.
- Поддержка напряжения 3В. Постепенно 5-вольтовый стандарт теряет свою актуальность, и новые продукты уже разрабатываются с 3-вольтовыми приемопередатчиками. Этот переход дает существенные преимущества в потребляемой мощности и скорости передачи данных.
- Pin to pin совместимость. Для выхода на коммерческий рынок мы разработали 2 основные стратегии: поиск маржинальных продуктов (подход детально описан в статье про АЦП) и совместимых по функционалу, выводам и характеристикам микросхем (pin to pin). Для того, чтобы не завязываться на одном поставщике, разработчики аппаратуры часто выбирают несколько совместимых микросхем. Такой подход дает несколько плюсов: независимость от поставщика и шанс удешевить свой продукт, выбрав микросхему по меньшей стоимости. Для микросхемы RS485 30Мбит есть множество аналогов (MAX14783EEUA, ST3485EB, ADM3490E, THVD14xx, и другие). Данный подход можно представить в виде мема:
Кристалл получился довольно маленький (1.3мм * 1.3мм), что позволит нам конкурировать в цене с сильными мира сего:
Более подробно о характеристиках микросхемы можно прочитать в спецификации. Сравним основные параметры К5559ИН86SI с зарубежными аналогами.
Параметры получились сравнимыми c зарубежными аналогами, что для разработчиков микросхемы является хорошей новостью. Однако достижение хороших показателей параметров является лишь верхушкой айсберга. Давайте попробуем более детально заглянуть внутрь микросхемы. Помимо того, что описано в стандарте, в любой микросхеме есть свои «фичи». Попробуем поделиться некоторыми из них и приоткрыть дверь в мир процесса исследования «в железе».
Защита от короткого замыкания
При организации сетей на базе RS485 возможна ситуация, когда передатчик “вещает” в линию, в которой устойчиво присутствует другой потенциал. Чаще всего такая ситуация встречается при одновременном “вещании” двух или более передатчиков. Что же будет с микросхемами передатчиков в таком включении? В принципе ничего хорошего. Рассмотрим на простом примере. Подключим напрямую два передатчика (берем только одно соединение для витой пары, для другой все будет тоже самое, но с инверсией): на выходе передатчика 1 будет потенциал +5В (питание), на выходе передатчика 2 будет 0 (Земля).
Транзисторы P1 и N2 будут открыты, и без наличия дополнительной защиты через них будет идти ток короткого замыкания, который будет ограничен только незначительными сопротивлениями самих транзисторов и проводника. Чаще всего в такой ситуации исход один – тепловой пробой транзисторов или любимое всеми на хабре слово – “выгорание”.
Угловой фрагмент фотографии кристалла (чипа) микросхемы RS485 неудачной ревизии
По стандарту RS485 напряжение в линии может быть от -7 Вольт до +12 В (это связано с тем, что земли микросхем могут находиться на довольно приличном друг от друга расстоянии более одного километра и разбежаться друг относительно друга). Худшая ситуация, то есть максимальные токи короткого замыкания, могут быть в том случае, когда передатчик вещает «логическую единицу», а в линии устойчиво потенциал -7 В и вторая ситуация, когда передатчик вещает логический ноль, а в линии устойчиво потенциал 12 В.
Простейший способ обезопасить схему от КЗ – добавить ограничивающие резисторы для каждого транзистора выходного буфера. Суть заключается в следующем: добавляем резисторы в систему, когда ток через них становится довольно приличным по закону Ома — – напряжение на резисторе начинает расти. Когда становится равным порогу срабатывания транзистора (на картинке ниже Pfb и Nfb), включается обратная связь, и ток КЗ уходит в насыщение. В одной ревизии мы так и сделали, но это оказался еще тот фейл…
Из-за того, что в цепи напряжение может быть выше питания, появляется обратный ток. Если бы система питалась от внешнего источника, он мог бы подавить это напряжение, но он питался от внутреннего LDO (линейный регулятор напряжения). Обратный ток повышал напряжение LDO, и схема сгорала. Решение, которое было придумано, выглядит следующим образом:
Источники опорного тока задают ток через транзисторы N3 и P3. Схема токового зеркала определяет максимальный ток, который может проходить через транзисторы N2 и P2, тем самым ограничивает как прямой ток КЗ, так и обратный. Решение получилось рабочим по моделированию, теперь осталось протестировать в железе.
Переходим к измерениям. Нам понадобится источник питания, точный источник-измеритель Keithley2602А и ПО, позволяющее управлять источником-измерителем и снимать ВАХ. Для автоматизации измерений нашими application инженерами был разработан матричный коммутатор, который позволяет автоматически переключать источник-измеритель к различным выводам микросхемы. Для общения с приборами используем LabView.
На коммутаторе остановимся отдельно, естественно, есть зарубежные аналоги, но конкретно данный экземпляр коммутатора 64х8 — собственная разработка нашей команды измерителей, с упором на их каждодневные задачи, позволяет коммутировать 64 вывода микросхемы на 8 каналов (к которым можно подключить какое-либо оборудование), избавляя от действий руками перед каждым измерением.
Ну и конечно же сам измерительный прибор:
Итого, получаем следующие ВАХ (Вольт-Амперные-Характеристики) для выхода передатчика:
Из ВАХ мы видим следующее: в худших случаях при устойчивых потенциалах в линии -7 В или 12 В, ток микросхемы ограничен примерно на уровне 90 мА.
Транзисторы микросхемы при коротком замыкании (при потенциале в линии) не разрушаются! Защита от короткого замыкания работает – проверено.
Однако если подержать в режиме КЗ какое-то время (около 2-х минут), то сработает следующая “фича” – термозащита и схема выключится.
Встроенная термозащита
Защита от перегрева встроена почти во все зарубежные микросхемы приемопередатчиков RS485 и является неотъемлемой функциональной частью схемы. При повышенной температуре параметры транзисторов начинают деградировать, а при токе короткого замыкания разогрев неизбежен и важно вовремя перевести микросхему в выключенное состояние.
Ситуацию с перегревом усугубляет и пластиковый корпус, который весьма плохо отводит тепло. Да и топология кристалла прошла серьезную оптимизацию, чтоб разместить максимум функционала на минимум площади. Если провести аналогию с реальным миром, то пластиковый корпус для кристалла — это как куртка-пуховик для человека.
Гарантированный диапазон температур, в котором должна функционировать микросхема: –40…+85 °С.
В К5559ИН86АSI порог срабатывания термодатчика расположен в районе температуры 165 ºС — при достижении этого значения произойдет выключение микросхемы. Но это речь о температуре кристалла, а не корпуса, цифра 165 ºС также не случайна: при такой температуре кристалл стопроцентно не получит повреждений и продолжит функционировать после остывания. Рабочий же диапазон температур в документации приводится относительно температуры среды, да и, справедливости ради, ее проще контролировать.
Проверка работы микросхемы в температуре происходила при помощи испытательной камеры тепла и холода SU-262. Камера позволяет задать температуру от –60 °С до 150 °С.
Испытательная камера тепла и холода – вид снаружи
Испытательная камера тепла и холода – вид внутри
В процессе измерений нужно проверить следующее: какой запас по температуре есть у кристалла в рабочем режиме?
Подключаем генератор ко входу микросхемы, и смотрим сигнал выхода. При данном тесте температура внешней среды меняется в диапазоне –60 °С до 125 °С. Итого на выходе передатчика видим следующую осциллограмму:
Осциллограмма: DI – информационный входной сигнал передачика, AY, BY – выходные сигналы передатчика, RO – выходной сигнал приёмника.
Во всем диапазоне температур схема функционировала нормально. Однако остается вопрос, а какой запас по температуре? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, нужно понять какова температура самого кристалла, вне корпуса. Для измерения температуры кристалла мы придумали достаточно интересный подход, о котором могу поведать.
Практически во всех микросхемах существует ESD защита (защита от электростатических разрядов). В простейшем случае представляет из себя 2 диода, используемых в обратном включении (один на землю, другой на питание). Воспользуемся тем свойством, что физика полупроводников такова, что напряжение падения на диоде (pn-переходе) зависит от температуры. Используем следующую схему включения:
Используем ту же камеру тепла и холода. Задача стоит следующая: построить зависимость напряжения на диоде от температуры, что поможет вычислить температурный коэффициент. Режим измерения производился с выключенной схемой, которая исключает саморазогрев, то есть позволяет нам откалибровать шкалу:
- Питание на микросхему не подается (VDD = 0)
- К цифровому выводу DI подключаем источник тока 10мкА
Получено следующее значение температурного коэффициента напряжения: 1,78мВ/°С.
Откалибровав шкалу, можно перейти к оценке разогрева микросхемы внутри пластикового корпуса в рабочем режиме при штатных нагрузках и в случае короткого замыкания выходных каскадов. Режим измерения, следующий:
- напряжения питания 5,5 В (VDD = 5,5 В)
- вывод nRE — низкий уровень, вывод DE — высокий уровень;
- тестируемый вывод DI;
- установленный на источнике ток диода 10 мкА (Idiode=10 мкА);
- нагрузка – 54 Ома.
| Температура окружающей среды, °С | Температура на кристалле, °С | |
| К5559ИН86АSI | MAX1478 | |
| 35 | 52,21 | 53,82 |
| 85 | 100,16 | 108,1 |
| 100 | 126,04 | 124,24 |
Вывод-1: кристалл нагревается в рабочем режиме на 26 °С при температуре внешней среды 100 градусов. Порог срабатывания термозащиты (165 ºС) еще далеко.
Вывод-2: в режиме короткого замыкания термозащита срабатывает, по имеющимся измерениям уже при 55 ºС внешней среды, но микросхема не выходит из строя и через некоторое время после того, как она охлаждается – может снова функционировать.
Так мы экспериментально подтвердили, что разработанные схемотехнические решения надежно защищают микросхему от нештатных ситуаций (таких как КЗ или конфликт драйверов) и не оказывает влияния на штатные режимы.
Заключение
В данной статье я постарался познакомить читателей с особенностями такого популярного интерфейса, как RS485. Процесс разработки микросхемы очень тесно переплетается с процессами измерений и прототипирования. И тут большая заслуга наших application инженеров, которые постоянно находят у нас косяки и недостатки. Наверное, двигатель любого прогресса – это конструктивная критика.
PS Образцы микросхемы можно получить бесплатно, оставив заявку на сайте. Да-да, только ленивый нас еще не пнул за то, как все туго с заказами для обычных пользователей. Мы все читаем, и понимаем, насколько это важно. В будущем будет улучшаться наш сайт, чтобы заказ коммерческих микросхем и отладочных плат стал проще.
Читайте также: