Chấm dứt RS485: AC + failafe + song song + hai chiều

Biết rằng tôi cần tinh chỉnh mạch RS485 của mình, tôi đã đọc. Tôi có một loạt các câu hỏi cụ thể và tôi hy vọng rằng bạn sẽ thưởng thức tôi khi tôi mô tả cách tôi đã cố gắng làm theo thông qua một ghi chú ứng dụng.

Dưới đây là một số điều cơ bản của hệ thống comm nối tiếp:

• RS485
• 115,2 kbaud, chủ yếu được giới hạn bởi các vi điều khiển
• Bán song công (1 cặp vi sai cộng với mặt đất)
• Trường hợp xấu nhất bắt đầu chạy cáp ~ 80m
• Trường hợp xấu nhất có thể dài 2cm do dấu vết PCB; không có cuống cáp
• Cúc xích
• Số lượng thiết bị đa điểm thường là 8, có thể không quá 20
• Một số, nhưng không nhiều, dung sai BER do tổng kiểm tra trong giao thức báo hiệu
• Tất cả các thiết bị nô lệ là SN65176 ; thạc sĩ là USPTL4 .

Giả sử cáp tôi sử dụng là Belden 3106A , vì nó được chỉ định rõ:

• Trở kháng đặc trưng Zo = 120 ohm
• Vận tốc truyền VP = 78%

Mạch kết thúc của tôi đã trải qua một vài lần lặp:

1. Chấm dứt song song hai chiều đơn giản. Không hoạt động gì, do phá vỡ hoạt động không an toàn và tạo ra các bit khởi động giả.
2. Chấm dứt hai chiều với phía chủ có chấm dứt song song đơn giản và nô lệ cuối cùng có mạch như mô tả trong AN-903 "Chấm dứt quyền lực". Vẫn không hoạt động gì: việc chấm dứt song song tại bản gốc thể hiện quá nhiều tải DC trên bản gốc và phá vỡ hoạt động không an toàn.
3. Bậc thầy bị hủy diệt, nô lệ cuối cùng bị chấm dứt với "chấm dứt quyền lực". Nó trông như thế này:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Nó hoạt động, nhưng không lý tưởng vì ít nhất hai lý do: vẫn còn rất nhiều tải DC; và phía chủ không được khớp trở kháng / kết thúc.

Để thay thế tốt hơn, tôi coi TI AN-903 "So sánh các kỹ thuật chấm dứt khác biệt". Dựa trên phần 2 "Chưa hoàn thành",

Tốc độ thấp thường được đặc trưng là tốc độ tín hiệu dưới 200 kbits / giây hoặc khi độ trễ cáp (thời gian cần thiết để tín hiệu điện truyền qua cáp) ngắn hơn đáng kể so với độ rộng bit (khoảng thời gian đơn vị) hoặc khi thời gian tăng tín hiệu nhiều hơn bốn lần độ trễ lan truyền một chiều của cáp (nghĩa là không phải là đường truyền).

Vì 115,2kbaud <200kbaud, tiêu chí đầu tiên được đáp ứng. Đối với tiêu chí thứ hai, để tính toán độ trễ cáp:

(80 m) / 0,78c = 342 ns

So với chiều rộng bit:

1 / 115,2kbaud = 8,68 ss

Vì vậy, tiêu chí này cũng dễ dàng được đáp ứng. Điều này có nghĩa là tôi có khả năng có thể coi cáp không phải là đường truyền và không cần kết hợp / kết thúc trở kháng. Tuy nhiên, tôi muốn phát triển một mạch chấm dứt bất kể, vì những lý do sau:

• Nó có thể được thực hiện với giá rẻ
• Đó là một cơ hội học tập
• Nó làm tăng chất lượng truyền dẫn, ngay cả khi nó không nhiều
• Trong trường hợp chạy cáp cần phải được kéo dài rất nhiều, hệ thống sẽ tồn tại
• Bảng mẫu TI vô điều kiện khuyến nghị nó:

Đường dây nên được kết thúc ở cả hai đầu trong trở kháng đặc tính RT = ZO. Chiều dài còn sơ khai của dòng chính nên được giữ càng ngắn càng tốt.

Tôi muốn theo đuổi một phiên bản sửa đổi của phần 5, chấm dứt AC. Cho các tham số hệ thống của tôi, RT = 120 ohm. Đối với CT, ghi chú ứng dụng cho biết:

Mặt khác, CT được chọn bằng với độ trễ chuyến đi khứ hồi của cáp chia cho ZO của cáp. CT (Trì hoãn chuyến đi khứ hồi cáp) / ZO

Độ trễ cáp khứ hồi = 2 * 342 ns = 684 ns

CT 684 ns / 120 ohm

CT ≤ 5,7 nF

Chọn CT = 5,6 nF, điện dung gần nhất trong dãy E24 (5%).

Ghi chú ứng dụng cũng cho biết:

Hơn nữa, hằng số thời gian RC kết quả phải nhỏ hơn hoặc bằng 10% khoảng thời gian đơn vị (TUI).

(120 ohm) (5,6 nF) ≤ 0,1 * 8,68 ss

672 ns ≤ 868 ns

Vì vậy, tụ điện này có vẻ ổn. Tuy nhiên, tôi thấy một vấn đề (lớn?) Không được đề cập trong ghi chú ứng dụng. Các tụ điện nội tuyến với điện trở phù hợp làm cho trở kháng của mạng phù hợp rất không đồng đều với trở kháng đặc trưng của cáp.

f = 115,2kbaud / 2 = 57,6 kHz

120 ohm + 1 / 2πj / 57,6kHz / 5,6nF = 120 + 493j ohm

Tôi cũng không nên thêm một loạt cuộn cảm để hủy bỏ phản ứng đó?

493 ohm / 2π / 57,6kHz = 1,36 mH

Sử dụng giá trị E24 1,3 mH. Sau đó:

120 ohm + 1 / 2πj / 57,6kHz / 5,6nF + 2πj * 57,6kHz * 1,3mH = 120 - 22,9 ohm

Phản ứng đó có thể được đưa gần hơn đến 0 với độ tự cảm chính xác hơn.

Khi tôi mô phỏng một đường truyền có cùng đặc điểm với Belden và chấm dứt RC AC hai chiều, nó có vẻ hoạt động khá tốt. Tuy nhiên, nếu tôi thêm cuộn cảm để hủy bỏ phản ứng điện dung, thì có tiếng chuông khủng khiếp.

Với tất cả những điều trên, câu hỏi của tôi là:

• Là toán học của tôi, và sự giải thích của tôi về ghi chú ứng dụng, đúng không?
• Tại sao AN không hiển thị chấm dứt AC hai chiều? Có hợp lệ để chấm dứt AC trên cả hai đầu của một dòng đa điểm không?
• Tại sao AN không tính đến phản ứng điện dung khi mô tả chấm dứt AC?
• Bộ thu phát RS-485 phía PC có bộ kéo 4,7k không thể tháo rời trên dòng A và ròng rọc 4,7k trên dòng B, để vận hành không an toàn. Điều này sẽ tương thích với chấm dứt AC ngay bên cạnh nó?

Đây là một câu hỏi thú vị :-) Thumbs up vì đã suy nghĩ thấu đáo - Tôi thấy nhiều người vẫn đang sử dụng RS485 nhưng hầu như không ai cố gắng hiểu việc chấm dứt (thực tế hầu như không ai biết các quy tắc sách giáo khoa cơ bản). Ngoài ra, tôi có hiểu chính xác rằng bạn đã thử xem dòng có phạm vi 'không? Tuyệt vời, khó có ai làm điều đó quá.

Tôi đã thực hiện một bài tập về chấm dứt RS485 vào một ngày khác ... Tôi không xem xét việc chấm dứt AC (không phải theo nghĩa khác biệt thông thường), nhưng tôi đã tập trung vào vai trò của nền tảng tham chiếu, xu hướng ("failafe") và phổ biến chấm dứt chế độ - vì điều đó dường như đã tạo ra sự khác biệt.

Một thiếu sót kinh điển của RS485 là thực tế là các nút không được đảm bảo cách ly trái đất theo định nghĩa. Ethernet xoắn đôi dễ dàng xử lý hơn vì một lý do đó.

Nhìn vào terminator chỉ R của bạn với failafe trong sơ đồ mà bạn đã đăng, tôi thấy sự bất đối xứng của nó rất hấp dẫn và kỳ quái. Tôi đánh giá cao rằng điện trở vi sai ròng là 100 Ohms, nhưng tôi không chấp nhận đường B bị ràng buộc bởi chỉ 24 Ohms với GND ... làm thế nào bạn đến được thiết lập không đối xứng đó? Tôi tin rằng các chân RX và TX trong bộ thu phát 485 tương đương nhau khá nhiều. Tôi sẽ giữ sự đối xứng thiên vị.

Không giống như các áp phích khác ở đây, tôi sẽ không thử tìm kiếm các bộ thu phát có điện trở phân cực (không an toàn) được tích hợp. Các nút phải có Z cao khi nghe, failafe (và chấm dứt!) Nên là một chức năng của bus, chứ không phải là một bộ thu phát riêng lẻ. Để đạt được rằng các đầu vào A / B luôn luôn "bên trong sân bóng" tại mỗi nút riêng lẻ, bạn nên sử dụng mặt đất tham chiếu - với điện trở 100 Ohms ở mỗi nút như một số người thường nói hoặc gắn thẳng. Nếu mặt đất địa phương chao đảo quá nhiều, sử dụng cách ly. Xu hướng tại mỗi nút không đưa bạn đến bất cứ đâu. Trừ khi căn cứ tham chiếu của bạn bị cô lập (nổi), bất kỳ điện trở phân cực nào cũng quá yếu để vượt qua các vòng đất cứng. Và, nếu cặp tín hiệu che chắn là riêng lẻ và chặt chẽ, tức là đường truyền giống như một twinax,một nền tảng tham khảo thích hợp! vì lá chắn thực sự là một dây dẫn thứ ba theo nghĩa truyền năng lượng RF. Bất kỳ dây dẫn nào bạn nối đất chỉ ở một đầu, sẽ trở thành ăng ten ở bước sóng của chính nó.

Tôi đã thử chấm dứt AC trước (RC) bằng các dòng dỗ (đối với IRIG). Bạn nên xem xét một phạm vi, kết quả thực tế là gì - tại bộ kết thúc và tại bất kỳ nút thu phát nào ở giữa dòng. Hãy thử trải nghiệm với quá nhiều và quá ít năng lực.

Công thức chung của bạn cho sự lựa chọn tụ điện có vẻ đúng, bạn đang suy luận đúng hướng. Và tôi cảm thấy rằng ít nhất việc chấm dứt RC (tập trung vào AC) là phù hợp ngay cả ở các dòng "quá ngắn và quá chậm", vì UART có thể có một vài điểm lấy mẫu trong một chiều dài bit, hoặc nếu chỉ có một mẫu duy nhất điểm, bạn không thể chắc chắn chính xác nó ở đâu ...

Điều đó nói rằng, cảm giác chung của tôi là: bạn không nên quan tâm đến việc tải DC nhiều như vậy. Các máy phát (IC thu phát và nguồn cung cấp năng lượng của chúng) được thiết kế chủ yếu để xử lý 60 Ohms DC ở đầu ra của chúng, 24x7. Và, chấm dứt DC thẳng ở cả hai đầu của đường truyền là đặt cược tốt nhất của bạn.

Nếu mẫu TX / RX của bạn là song công hoàn toàn và do đó máy phát luôn bật, mối quan tâm của bạn có thể có một số tín dụng - nếu OTOH thì mẫu truyền thông là "thưa thớt", tức là các bộ thu phát dành phần lớn thời gian của họ ở Z cao, nó không ' T có ý nghĩa nhiều để bị ám ảnh với tải DC.

Và, trong một đường truyền, máy phát cũng phải phù hợp với trở kháng! Trong các hệ thống RF linh tinh, điều này thường được thực hiện bằng cách kết thúc loạt tại máy phát. Không chắc chắn chính xác về RS485 (FET chuyển mạnh sang đường ray nguồn), đặc biệt là nếu máy phát của bạn luôn bật - có thể kiểm tra với phạm vi ', có và không có chấm dứt "ở đầu phát" (nếu "luôn luôn ở chế độ chính" ở một đầu TML) nhưng như tôi đã nói, đừng quá lo lắng về tải được trình bày bởi bộ kết thúc thứ hai. Là một bài tập về nhà, tôi có lẽ nên lấy một phạm vi và xem một máy phát 485 ở một đầu của dòng chuyển từ trạng thái hoạt động sang Z cao :-)

BTW, bạn đã liên kết với một số USB / 485 dongle (nút chính của bạn) nhưng đó là một mạch hoàn chỉnh trong một hộp nhựa mờ, chúng tôi không biết chi tiết về hệ thống dây điện bên trong của nó. Tôi cá rằng bên trong nó, bạn sẽ tìm thấy một chiếc SN75176 hoặc một số công việc hiện đại hơn. Và, nó có khả năng sẽ trở lại mức Z cao nếu FIFO và "thanh ghi giữ máy phát" bị trống.

=== CHỈNH SỬA ===

Để có kết hợp trở kháng RF TML hoàn hảo tại máy phát, chip TX sẽ cần phải chuyển đường ray công suất sang TML thông qua điện trở cục bộ 60 Ohms hoặc trong thế giới thực 30 ohms nối tiếp với mỗi pin (A / B) ). Điều này cũng có ý nghĩa như một bảo vệ ngắn mạch (giới hạn hiện tại). Nhìn vào bảng dữ liệu SN75176 tôi có thể thấy không có kết thúc chuỗi rõ ràng, không nối tiếp với đầu ra dòng, cũng như với các công tắc totem riêng lẻ - nhưng tôi nhớ rằng biên độ tín hiệu giảm đi phần nào, khi bạn gắn đầu cuối thứ nhất và đầu cuối thứ hai. Bảng dữ liệu đề cập đến giới hạn hiện tại là 60 mA trong TX tại các đầu cuối A / B - một lần nữa xem xét sơ đồ bên trong, đây sẽ phải là một giới hạn không phá hủy vốn có của các công tắc totem (hoặc có thể chúng thực sự là các nguồn hiện tại). Lưu ý rằng bất kỳ hoạt động nào đang diễn ra trong các totem đầu ra của chip đều bị giới hạn bởi các đường ray nguồn 0 / + 5V. Một 5V đầy đủ thành 120 Ohms có nghĩa là 83 mA. Ở 60 mA, biên độ đầu ra khác biệt trên đường kết thúc đúng sẽ là 60 Ohms * 60 mA = 3,6 VIe trong kịch bản đó, trở kháng vi sai hiệu quả của chip là 23 Ohms (còn lại 1,4V đến + 5V, / 60mA).

Tôi nghĩ rằng bạn có những điều phức tạp. Tại sao không sử dụng điện trở terminator 120 ohm ở cả hai đầu, nó đơn giản và đáng tin cậy nhất.

Như bạn đã nói, bạn không có sơ khai, toàn bộ đường truyền bị xích, cáp có trở kháng đặc tính được chỉ định, tốt nhất là sử dụng điện trở 120 ohm ở cả hai đầu.

Điều thông minh khi sử dụng PC là có bộ thu phát RS485 loại riêng biệt và kích hoạt các pullup / pulldown đó. Không phải tất cả các thiết bị như pull-up. Một số người trong số họ làm việc mong đợi A kéo cao một B kéo xuống thấp, và một số A kéo thấp và B kéo cao. Kiểm tra điều này.

EDIT: Khuyến nghị của tôi. Không sử dụng lá chắn như dây dẫn thứ 3. Lá chắn phải được kết nối với trái đất tại mỗi nút, nhưng chỉ có một đầu. Nhìn chung, mỗi phần của khiên được kết nối ở mức độ chỉ trong một điểm. Không có kết nối trực tiếp từ nút chính đến nút cuối qua khiên tồn tại.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Những gì bạn muốn làm là tìm giá trị trễ tối thiểu cho tín hiệu vi sai và dẫn đủ dòng qua điện trở kết thúc đường dây trong ít nhất hai lần điện áp Vrh (điện áp trễ thu) tối thiểu trên nhiều tải như bạn sẽ có. Điện trở tải là một giá trị bảng dữ liệu khác và điện trở trở kháng 120 dòng được thêm song song với đó.

Ví dụ, đối với MAX485, Vrh (Độ trễ thu) là 70mV và Rrl (Điện trở tải của máy thu) là 12K. Chỉ với 2 trong số này, tải ở mỗi đầu với điện trở kết thúc 120 Ohm kép là 59 Ohms. Với 140mV và 59 Ohms, chúng ta cần 2,37mA dòng điện. Điều đó có nghĩa là VDC trừ Vrh * 2 chia cho dòng tải tính toán của chúng tôi, cung cấp cho chúng tôi 2.050K. Chia cho 2 và điện trở không an toàn lý tưởng của chúng tôi là 1K. Bạn chỉ cần một trong số này tại các vị trí điện trở kết thúc. Các giá trị bạn sẽ sử dụng ở nơi khác sẽ chỉ cần 12,5uA (12K Rrl), do đó sẽ là các điện trở 180K kép.

Đặt cược tốt nhất của bạn dưới 115K và đơn giản hoặc song công hoàn toàn là kết thúc đơn lẻ vì đầu ra chip chỉ truyền không cần chấm dứt. Một nửa song công là nơi kết thúc cả hai đầu giúp.