Основы RS-485: когда необходимо согласование и как это сделать правильно

Многие проблемы с полнотой сигнала и качеством связи в сетях RS-485 происходят из-за прерываний, либо из-за отсутствия
прерываний, или же из-за неправильных прерываний. Многие проблемы с полнотой сигнала и качеством связи с сетями RS-485 происходят из-за прерывания, либо из-за отсутствия прерывания, или же из-за неправильного прерывания. В данной статье об основах RS-485 мы поговорим о том, когда вы можете прекратить передачу данных, не прерывая сеть RS-485, и, если вам нужно согласование, как использовать стандартные (параллельные) выводы и прерывания переменного тока (AC).

Драйвер приемопередатчика RS-485 должен иметь возможность подавать 1,5 В на 32 приемника/передатчика, где сопротивление согласующих резисторов должно быть 120 Ом. Значение 120 Ом для согласующих резисторов происходит от так называемого характеристического сопротивления дифференциального режима проводов шины витой пары. Проще говоря, сечение провода, тип и толщина изоляции, а также количество витков на единицу длины способствуют сопротивлению, которое высокоскоростные сигналы данных «видят». Это сопротивление обозначается в омах и обычно составляет от 100 Ом до 150 Ом для витых пар. Авторы стандарта RS-485 выбрали 120 Ом в качестве номинального характеристического сопротивления; поэтому, чтобы соответствовать этому сопротивлению, согласующие резисторы также имеют значение по умолчанию 120 Ом.

Почему существует прерывание сигнала?

Сопоставление характеристического сопротивления кабеля с оконечной сетью позволяет приемнику на конце шины видеть максимальную мощность сигнала. Оставляя линию передачи без конечного подключения (штекер не подключен к приемнику сигнала) или подключенную но с некоторым значением, не равным сопротивлению кабеля, вы вносите несоответствие, которое создает отражения на концах сети. Отражение — это когда часть энергии сигнала буквально возвращается обратно вверх по линии, которая затем может конструктивно или деструктивно мешать следующим битам, передающимся по шине. Разрушительным примером является то, что отраженный сигнал, который отражается назад, не совпадает по фазе с входящим сигналом, в результате чего приемник видит меньший входящий сигнал. Если несоответствие достаточно велико, отраженная энергия может привести к неправильному толкованию и неправильному декодированию последующих битов приемником.

Уравнение ниже показывает, что для того, чтобы коэффициент отражения приблизился к нулю, входной импеданс ZL должен соответствовать исходному импедансу ZS. Если есть большое расхождение в нагрузке и импедансе источника, может отражаться почти весь сигнал.

Коэффициент отражения для интерфейса RS-485

Как видите, для оптимальной целостности сигнала всегда лучше всего согласовывать сопротивление линии переменного тока с терминатором равного значения. Почему бы не всем разработчикам это сделать? Потому что добавление терминаторов (согласующих резисторов) увеличивает стоимость всей системы, к тому же согласующие резисторы также добавляют параллельную нагрузку на драйверы, вызывая большие токи нагрузки в стационарном режиме. В чувствительных к энергопотреблению приложениях, где снижение энергопотребления имеет решающее значение (например, в приложениях с питанием от батареи), один из вариантов экономии энергии — оставить шину без подключения. Давайте обсудим, когда удаление оконечной нагрузки является жизнеспособным вариантом.

Сети, которые не нуждаются в оконечной нагрузке

Одна ситуация, в которой вам не нужны согласующие резисторы, — это когда время двусторонней петли в сети намного больше, чем время передачи одного бита (~ <0,1 × задержка двусторонней петли). В таких случаях отражения будут терять энергию каждый раз, когда они достигают конца сети.

Как видно из рисунка ниже, амплитуда отражений будет продолжать уменьшаться каждый раз, когда сигнал отражается на конце кабеля. На рисунке ниже показаны три сигнала в обоих направлениях и шесть отражений.

Амплитуда отражающегося сигнала уменьшается с каждым отражением RS-485

Предполагая, что неподключенный конец шины имеет входной импеданс 96 кОм (нагрузка на одну восьмую единицу), а импеданс источника драйвера составляет 60 Ом, отражения сигнала будут уменьшаться в соответствии с расчетами, приведенными в таблице ниже.

Пример расчета затухания сигнала

Как видно из таблицы, к тому времени, когда сигнал отражается в шестой раз, он ослабевает до уровня ниже 4% от его первоначальной величины. После этого можно с уверенностью сказать, что отражения больше не способны вызывать проблемы с целостностью сигнала. Поскольку точка выборки бита обычно находится между 50-75% пути через бит, вы должны убедиться, что эти три задержки в обоих направлениях происходят до точки выборки.

Сети, которые требуют согласующего резистора (терминатора)

В тех случаях, когда время в битах не намного больше времени цикла в кабеле, согласование имеет решающее значение для минимизации отражений. Наиболее простое оконечное оборудование, известное как стандартные оконечные или параллельные согласующие резисторы, состоящие из одного резистора (рисунок ниже).

Стандартная оконечная сеть

Для стандартного терминатора вы должны согласовать значение согласующего резистора с характеристическим сопротивлением дифференциального режима кабеля на обоих концах сети. Это обеспечивает корректную доставку сигналов, идущих в обоих направлениях по шине. Как упоминалось  ранее, основным недостатком схемы терминации этого типа является то, что всякий раз, когда драйвер активен, резисторы создают постоянную нагрузку на драйвер.

Использование терминаторов переменного тока помогает уменьшить рассеяние мощности, не требуя столь же длительного времени на бит по отношению к длине шины. На рисунке ниже показана схема согласования переменного тока.

Терминальная AC сеть

Поскольку ток обычно протекает в одну сторону драйвера RS-485 через согласующий контур, а затем в обратную сторону драйвера, устанавливают последовательный конденсатор, чтобы ток установившегося состояния стремится к нулю. Две особенности этого типа согласования состоят в том, что для каждой согласующей сети требуется один дополнительный компонент, а последовательно соединенные резистор и конденсатор вводят дополнительную задержку, свойственную RC цепи. Постоянная времени RC цепи будет замедлять нарастание и спад дифференциального сигнала и ограничивать максимальную скорость передачи данных в сети.

В таблице ниже подведены итоги трех сценариев согласования сигнала для RS-485:

Краткое описание методов завершения

Для обеспечения оптимального значения сигнала всегда лучше всего согласовать характеристическое сопротивление кабеля в дифференциальном режиме с равным сопротивлением. Но если вы предпримете надлежащие шаги, также возможно успешно реализовать AC согласование или вообще избежать прерывания.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *