RS-485: le caratteristiche della RS485 spiegate da Maxim

Bus RS485

Realizzare una rete RS485 è possibile grazie ad una vasta gamma di ricetrasmettitori disponibili. I dispositivi RS485 sono sviluppati per venire incontro ai requisiti dell’operatività full-duplex o half-duplex, per fornire tensioni fino a 2.5V, protezione ESD fino a +/- 15kV, velocità di trasferimento dati da 250kbps a 12Mbps, operatività fail-safe in diverse configurazioni e operatività shut-down a basso consumo. La nota applicativa che segue spiega le differenti caratteristiche nella linea di prodotti Maxim RS-485, aiutando quindi l’utente a scegliere il componente più adatto alle proprie esigenze.

Velocità di trasferimento e velocità di risposta

Ad un certo punto, durante la progettazione di un sistema RS-485, deve essere determinata una velocità di dati appropriata per quel tipo sistema. Quindi, si rende necessario scegliere dei dispositivi RS485 in grado di funzionare a quella velocità. Optare per dispositivi veloci potrebbe essere una soluzione sempre conveniente, ma ci sono degli aspetti da valutare. Sebbene questi funzionino per dati sia ad alte che a basse velocità, l'utilizzo di dispositivi che siano più veloci di quanto necessario può causare emissioni di radiazioni più elevate e maggiore suscettibilità. Questi problemi vengono enfatizzati quanto sono più lunghi i cavi e alte le frequenze. La limitazione della velocità (slew rate) può aiutare i sistemi a bassa velocità in entrambe le condizioni menzionate sopra e si attua rallentando i limiti del segnale di RS-485 e poi riducendo i componenti ad alta frequenza del segnale.

Nella figura 1, sia a che b mostrano segnali RS-485 che trasmettono a 250kbps (125 Khz). Il dispositivo è un MAX3485E non limitato e in grado di raggiungere velocità fino a 12Mbps. Nella figura 1b il dispositivo MAX3483E è limitato ad una velocità massima di 250kbps. Nella prima figura la trasformata di Fourier mostra componenti dalla frequenza oltre i 2Mbps.

Questi componenti ad alta frequenza sono necessari per produrre i bordi squadrati richiesti per velocità di dati più elevate ma la trasformata di Fourier mostra che i componenti a frequenza limitata sono più convenienti; un sistema progettato attorno a parti limitate nella velocità, tenderà ad emettere meno radiazioni e sarà meno suscettibile ad una errore di accoppiamento nelle terminazioni. La tabella 1 compara tre differenti componenti di RS-485: MAX3485 è il più veloce della famiglia (fino a 12Mbps), MAX3483 e limitato a 250Kbps e MAX3486 è il compromesso tra i due, con una velocità massima di 2.5Mbps.

Full Duplex – Half Duplex

La RS-485 è progettata in modo che un solo trasmettitore su un doppino (twisted pair) può essere attivato per volta. Come mostrato in figura 4a, il Box A può trasmettere dati al Box B e viceversa, ma entrambi non possono svolgere questa funzione contemporaneamente.

Questa costrizione è definita half duplex. Da qui si deduce che un sistema full duplex permetta le comunicazioni in due direzioni nello stesso momento. Figura 4b. Visto che una configurazione half duplex che essere in grado di trasmettere e ricevere sulla stessa twisted pair, i pin di output del trasmettitore e i pin di input del ricevitore devono essere collegati. Nella configurazione full-duplex, invece, il ricevitore e il trasmettitore sono separati. Inoltre la parte half duplex avrà sempre un pin driver-enable, perché il trasmettitore deve essere tri-stated (alta impedenza) mentre riceve i dati. I componenti full duplex posso avere o no un pin driver-enable, a secondo se sono progettati o meno per un sistema multidrop.

La configurazione full duplex a 4 fili può essere denominata RS422.

Alimentazioni da 2.5V/3.3V e 5V

Secondo la specifica EIA/TIA 485 Rev A, un trasmettitore RS-485 deve avere una tensione di output differenziale compresa tra 1.5 V e 5V, quando caricato con 27 Ohm. Una nota a parte merita il MAX3471: questa parte è progettata per un'operatività compresa tra 2.5V e 5.5V, quindi è particolarmente interessante nel panorama dei sistemi alimentati a batteria.

Per esempio, un sistema che usa batterie 3AA, avrà una tensione operativa nel raggio di 4.5V, quando le batterie sono nuove, per scendere a 2.7V quando queste sono prossime all'esaurimento. Il vasto raggio operativo di MAX3471 permette di operare direttamente dalle batterie, senza bisogno di convertitori di alimentazione che aumentano i costi del sistema. Nella tabella 2 è riportato un abbinamento tra le parti di Maxim che possono essere utilizzate e il raggio di tensione dell'alimentazione.

Numero di nodi gestibili (carichi di unità)

I “carichi di unità” sono delle unità ipotetiche create dalla specifica 485 EIA, per aiutare i progettisti di sistemi RS-485 a determinare quanti ricevitori o trasmettitori possono essere collegati ad ogni rete. Secondo la specifica, il numero di dispositivi collegabili dipende principalmente da quanto ogni parte “carica” il sistema: quindi maggiore il carico, minori le parti che si possono utilizzare. Per quantificare ciò, è stato inventato il carico unitario. Facciamo un esempio: un MAX487 è caratterizzato da ¼ di carico-unità, mentre un MAX3485 è caratterizzato da 1 carico-unità. Quindi MAX3485 peserà sul sistema quattro volte di più rispetto a MAX487, che quindi potrà essere caricato con un numero di MAX487 quattro volte maggiore rispetto a MAX3487. La tabella 3 mostra il confronto fra tre parti Maxim con differenti carichi di unità.

Alta protezione ESD

Tutti i dispositivi incorporano su ogni pin strutture di protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD), che potrebbero verificarsi durante l'assemblaggio o la manipolazione. Le parti standard RS-485 di Maxim offrono una protezione ESD >= 2kV su tutti i loro pin. Le parti di Maxim con una protezione di +/- 15kV garantiscono una protezione elevata sui loro output e input di ricezione.

Due parti che si possono prendere come esempio sono MAX485 e MAX485E; il primo ha un livello standard di protezione, mentre MAX485E usufruisce di una protezione di +/- 15kV. La risposta delle parti di Maxim ad un'ESD prevede che esse non vengano danneggiate in modo tale da essere compromesse, ma continuano a lavorare normalmente. Inoltre, le parti sono protette contro le scariche elettrostatiche mentre vengono accese, spente e sono in fase di arresto.

Operatività Fail-Safe

In un sistema RS-485 possono verificarsi quattro comuni errori, che sono causa di dati sbagliati. Le parti fail-safe di Maxim sono progettate per evitare che si generino dati errati in queste condizioni. Vediamo quali sono i quattro tipi di errori comuni:

- tutti i trasmettitori in un sistema sono in shutdown

- il ricevitore non è collegato al cavo

- il cavo è aperto

- il cavo è in corto

La RS-485 specifica che la soglia di input di un ricevitore debba essere compresa tra +/- 200mV; quindi, se la tensione differenziale su un ricevitore è pari a 0V, lo stato di output è indeterminato. Purtroppo, questo è esattamente ciò che accade in ognuno degli errori elencati sopra. Il problema è risolto da Maxim, con il MAX3080, ad esempio, impostando le soglie del ricevitore tra -50mV e -200mV; in questo modo, se una condizione di errore fa apparire 0V come differenziale, l'output sarà comunque alto.

Inoltre il ricevitore avrà un margine di rumore di 50mV. Questo sempre in conformità alla specifica standard RS485.

Shutdown

L'unico scopo della funzione shutdown è quello di risparmiare energia, riducendone il consumo. Per fare un esempio, si può prendere il MAX3483; durante una normale operatività, il tipico apporto di corrente è di 1.1mA. Quando è in shutdown, esso viene ridotto a 2nA. É importante considerare anche un altro aspetto, cioè quanto tempo viene impiegato per passare dallo stato shutdown ad un output valido (tempo di risveglio). Nel caso di MAX3483, ci vogliono 3µS, mentre per il MAX3485, il tempo si riduce, al massimo, a 900nS.

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