В области промышленного контроля и автоматизации зданий связь по RS-485 широко распространена благодаря дифференциальной передаче, возможности работы на большие расстояния и отличной помехозащищенности. Однако на практике часто упускают из виду «петлевое сопротивление», влияющее на стабильность связи, что приводит к периодической потере пакетов и прерываниям связи оборудования. Устранение таких проблем требует много времени и усилий.
Эта статья использует «жизненный, понятный и простой» подход, чтобы помочь вам углубиться в понимание того, что такое петлевое сопротивление, почему оно так важно и как его оптимизировать при проектировании и отладке, чтобы связь по RS-485 была такой же плавной, как движение по асфальтированной автомагистрали.
Представьте себе систему водопроводных труб в вашем доме: водяной насос (драйвер) подает воду к точке потребления воды (приемнику), а затем вода возвращается к водяному насосу по другой трубе, образуя цикл.
Такие факторы, как диаметр трубы, колена, разветвления и давление воды, будут влиять на плавный поток воды. «Петлевое сопротивление» в цепи аналогично: это комплексное проявление «сопротивления», оказываемого переменному току во всей замкнутой петле, где сигнал начинается с передающего конца, передается по дифференциальной паре, достигает принимающего конца, а затем возвращается к передающему концу.
- Сопротивление (R): Это как сопротивление трению, определяемое диаметром трубы.
- Индуктивность (L): Подобна клапанам и коленам в трубе, которые вызывают эффект «гистерезиса» при изменении сигнала.
- Емкость (C): Ее можно сравнить с резервуаром для воды или резервуаром для хранения воды, который накапливает энергию и мгновенно ее высвобождает, влияя на колебания.
В системе RS-485 общее «петлевое сопротивление» под совместным действием этих трех факторов напрямую определяет качество и надежность сигнала.
Кабели связи RS-485 обычно используют экранированные витые пары 120 Ω, как выбор водопроводной трубы с постоянным внутренним диаметром для обеспечения минимальной потери потока воды (электрического сигнала).
Резистор 120 Ω подключается параллельно на каждом конце линии, чтобы «поглощать» энергию сигнала и избегать «эха» - как установка глушительного клапана на конце трубы для предотвращения гидроудара.
Когда несколько устройств подключены параллельно к шине, это эквивалентно подключению нескольких ответвлений к трубопроводу. Общее сопротивление уменьшается, и сигнал с большей вероятностью будет «шунтироваться», что может привести к тому, что принимающий конец не получит достаточный уровень.
Каждый разъем, каждый TVS-диод или каждое защитное устройство добавят небольшую прерывистость, как и соединение на стыке трубы, которое не герметично, что вызовет локальную утечку или засорение.
Хотя RS-485 является дифференциальной связью, провод заземления все равно образует контур, который является «незваным гостем» для синфазных помех. Разность потенциалов заземления между разными устройствами подобна разнице в уровне воды между разными водонапорными башнями в системе водоснабжения, что вызовет такие проблемы, как «обратный поток» или «перекрестный поток».
Несоответствие импеданса заставит сигнал «отскакивать» назад, как при ударе о отражающую стену, что приведет к искажению формы сигнала, звону и перерегулированию. В итоге приемник не может различить, является ли это «1» или «0».
Нестабильный импеданс эквивалентен увеличению утечки воды в трубе. При передаче на большие расстояния или на высоких скоростях потери более серьезны, и сигнал может быть «исчерпан» до достижения пункта назначения.
Прерывистый импеданс подобен зазору в трубе, в который с большей вероятностью «проникнут» внешние электромагнитные помехи, увеличивая частоту ошибок.
Драйвер будет выдавать больший ток, чтобы компенсировать затухание сигнала, как и водяной насос, работающий с большой скоростью потока в течение длительного времени, изнашивается быстрее, что приводит к выделению тепла, потреблению энергии и рискам для жизни.
Основной принцип: поддерживайте непрерывность импеданса, делая его таким же плоским, постоянным по ширине и с небольшим количеством ответвлений, как асфальтированная дорога.
Используйте экранированные витые пары с номинальным значением 120 Ω.
Экранный слой должен быть надежно заземлен: следует взвесить, заземлять ли один конец или оба конца, в зависимости от фактической помеховой среды.
Дифференциальная пара должна быть проложена с одинаковой длиной и одинаковым расстоянием, чтобы избежать неравномерного импеданса, вызванного слишком большой длиной одной стороны.
Дифференциальные трассы на печатной плате не должны пересекать разделение плоскости заземления и должны быть проложены на одном слое или использовать симметричную плоскость заземления.
Подключите согласующий резистор 120 Ω параллельно на каждом конце шины.
Если необходимо подавить синфазный шум, можно использовать «раздельное согласование»: подключите два резистора 60 Ω последовательно и подключите небольшой конденсатор параллельно к средней точке к земле, что эквивалентно добавлению «глушителя» к пути сигнала.
Поддерживайте выход приемника на стабильном известном уровне (обычно логическая «1»), когда шина простаивает.
Резистор подтяжки может быть добавлен для подтягивания дифференциальной линии A и резистор подтяжки для подтягивания дифференциальной линии B, чтобы избежать плавания сигнала, когда линия оборвана или никто не передает.
Отдавайте предпочтение использованию «линейной топологии» (прямая линия) и устанавливайте согласующие резисторы только на физических концах.
Избегайте звезды, кольца или слишком большого количества длинных ответвлений, как избегайте случайной вставки ответвлений на главной дороге, чтобы предотвратить заторы.
Чем быстрее (круче) край сигнала, тем серьезнее отражение. Для передачи на большие расстояния можно использовать приемопередатчик с ограничением наклона или соответствующим образом уменьшить скорость передачи данных, чтобы соответствовать «скорости транспортного средства» с «дорожными условиями».
Используйте дифференциальный пробник для наблюдения за формой напряжения линии A/B и проверки наличия звона, перерегулирования или затухания. Сравните скорость передачи данных с теоретической формой сигнала, чтобы определить, требуется ли ограничение наклона или регулировка скорости.
Отключайте ответвления секция за секцией, наблюдайте за изменениями формы сигнала и определяйте местоположение прерывистости импеданса или проблем с синфазным режимом.
Попробуйте заменить кабель, согласующий резистор или добавить синфазный дроссель в подозрительной области, чтобы увидеть эффект изменения. Оптимизируйте компоновку заземления, чтобы уменьшить помехи от контура заземления, вызванные многоточечным заземлением.
