Построение защищенных промышленных интерфейсов на элементной базе Maxim Integrated

Промышленные интерфейсы служат для построения сетей обмена информацией между различными устройствами в составе автоматизированной системы управления - промышленными контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами.

К промышленным сетям предъявляются наиболее жесткие требования по надежности и условиям эксплуатации. Эти сети должны работать в широком температурном диапазоне (обычно от -40 до 55°С), обладать устойчивостью к воздействию различного рода помех и иметь повышенную надежность при передаче данных. Кроме этого, передача данных должна осуществляться на значительное расстояние - до нескольких километров. Промышленные интерфейсы обеспечивают гальваническую развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации такие интерфейсы как: RS-485/RS-422, Ethernet и CAN.

В данной статье мы остановимся на реализации RS-485/RS-422 на элементной базе компании Maxim Integrated Products. Maxim является общепризнанным лидером в производстве интегральных схем для работы с аналоговыми и цифровыми сигналами и предоставляет разработчику выбор из более чем 150 наименований приемопередатчиков RS-485/RS-422. Выбирая продукцию Maxim для своего изделия, разработчик может быть уверен, что получит качественный продукт по конкурентной цене.

MAX1480

Начнем обзор с микросхемы MAX1480 изолированного интерфейса RS-485/RS-422.

Трансивер MAX1480 (рисунок 1) является, пожалуй, самым известным. Он выпускается довольно давно и за это время получил самое широкое применение в промышленных сетях.

Рис. 1. MAX1480 (вид сверху)

Микросхема MAX1480 представляет собой завершенное решение, объединяющее в одном корпусе приемопередатчик, оптроны и трансформатор. Использование встроенного DC/DC-преобразователя, собранного на трансформаторе, обеспечивает гальваническую развязку по питанию, а оптронная развязка служит для изоляции информационных сигналов.

MAX1480 обеспечивает полудуплексный обмен данными. У приемопередатчиков с маркировкой «А» (MAX1480A) скорость нарастания напряжения не ограничена, что позволяет им работать на скоростях до 2,5 Мбит/с. Микросхемы с маркировкой «В» и «C» имеют ограничения по нарастанию выходного напряжения, что позволяет снизить уровень электромагнитных помех (EMI). Кроме этого, более низкие скорости нарастания также помогают противостоять отражениям, вызванным быстрыми переходными процессами, большими скоростями передачи или длинными линиями связи. Благодаря таким мерам обеспечивается безошибочная передача данных на скоростях до 250 кбит/с.

Микросхемы имеют встроенную защиту от короткого замыкания и функцию отключения при достижении высокой температуры. Напряжение питания 5 В. Потребление MAX1480A в активном режиме составляет порядка 60 мA, у MAX1480B и MAX1480C потребление несколько ниже - 35 мA.

Приемопередатчики MAX1480 имеют режим пониженного энергопотребления. Управление происходит через ножку SD, отключающую драйвер питания MAX845, который формирует питание на изолированной стороне. Однако со стороны подключения контроллера через ножки DI и DE продолжает потребляться ток через оптопары, если на эти выводы поступает сигнал низкого уровня, в связи с чем рекомендуется оставлять эти сигналы на высоком уровне. Кроме этого, присутствует еще потребление через вывод VCC5. Поэтому, для полного отключения устройства лучше использовать внешний МОП-транзистор. Схема включения приведена на рисунке 2.

В нормальном режиме работы сигнал SD находится на низком уровне, открывая транзистор и обеспечивая тем самым подачу питания контакта VCC. Когда сигнал SD подтянут вверх, генератор MAX485 отключается и происходит обесточивание оптопар. В этих условиях ток потребления снижается до 0,2 мкA.

MAX1480 выпускается в 28-контактных DIP-корпусах и работает в температурном диапазоне от -40°С до 85°С.

Приемопередатчики MAX1480 имеют исполнение с защитой от электростатического разряда до ±15 кВ, которая предохраняет внутренние цепи микросхемы от протекания импульса тока, который может привести к частичному или полному их повреждению. В этих микросхемах добавлена дополнительная буква «Е» в маркировку: MAX1480EA/MAX1480EC. Защиту имеют все контакты приемопередатчиков. ESD (Electrostatic Discharge) -структуры способны выдерживать высокое напряжение во всех режимах работы микросхемы: нормальном, пониженного энергопотребления и выключенном.

MAX3535E и MXL1535E

Приемопередатчики MAX3535E и MXL1535E являются представителями следующего поколения микросхем для работы по интерфейсу RS-485/RS-422 и имеют целый ряд существенных отличий.

Эти микросхемы имеют емкостную изоляцию передаваемых/принимаемых цифровых сигналов данных, обладающую высокой энергетической эффективностью и устойчивостью к внешним магнитным полям. Для изоляции по питанию необходимо использовать внешний трансформатор. Также стоит отметить, что MAX3535E может питаться напряжением от 3 В, что довольно удобно при использовании в схемах с питанием 3,3 В. Используемые высоковольтные развязывающие емкости выдерживают напряжение до 2500 В, а защита от электростатического разряда - до ±15 кВ.

Входной импеданс данных трансиверов составляет 1/8 единицы нагрузки, что позволяет параллельно подключить к шине до 256 приемопередатчиков.

Приемопередатчики имеют схему ограничения нарастания выходного напряжения для снижения уровня электромагнитных помех и уменьшения отражений. Управление схемой происходит через вывод SLO путем ее подтягивания к питанию или земле. При работе на скоростях до 400 кбит/с вывод SLO подтягивают к земле, обеспечивая более медленную работу блока ограничения нарастания выходного напряжения. При работе на скоростях от 400 кбит/с вывод SLO подтягивают к питанию, или оставляют неподключенным, поскольку есть внутренняя подтяжка, что ускоряет работу.

Для увеличения устойчивости приема данных в этих микросхемах смещены пороги распознавания сигнала: -50 и -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ. Это значит, что при разности напряжений между входами «А» и «В» более -50 мВ на выходе приемника RO будет логическая единица, а при разности напряжений менее -200 мВ -логический ноль. Благодаря этому в разомкнутой и пассивной линии при разности потенциалов, близкой к нулю, приемник выдаст логическую единицу. Также следует отметить наличие в микросхемах двух выходов приемника: выход RO1 находится со стороны подключения микроконтроллера и разрешается сигналом RE, выход RO2 находится с изолированной стороны и всегда разрешен.

C целью защиты выходного драйвера в микросхемах встроены два механизма защиты. Первый механизм ограничивает ток на выходе, обеспечивая защиту от короткого замыкания во всем диапазоне напряжений. Второй механизм переводит выходы в высокоимпедансное состояние, если температура кристалла превышает 150°C.

MAX3535E и MXL1535E выпускаются в 28-контактных SOIC-корпусах и работают в температурном диапазоне от -40°С до 85°С.

Типичная схема включения MAX3535E/MXL1535E представлена на рисунке 3. Единственным моментом, на который здесь следует обратить внимание, является использование внешнего развязывающего трансформатора. Он подключается к выводам ST1 и ST2. Это выходы интегрированного в микросхему мостового каскада для подключения первичной обмотки трансформатора, работающего на частоте преобразования до 420 кГц.

Рис. 3. Типичная схема включения MAX3535E

При выборе трансформатора необходимо учитывать потокосцепление ET. ET вычисляется по формуле ET = Vmax/(2хFmin), где Vmax - максимальное напряжение питания, Fmin - минимальная частота при этом напряжении. При питании +5 В (максимум берем +5,5 В) и 290 кГц получаем ET равное 9,5 В*мс. При питании +3,3 В (максимум берем +3,6 В) и 290 кГц получаем ET равное 6,2 В*мс.

Также следует не забывать о необходимых коэффициентах трансформации, которые зависят от напряжения питания. При напряжении питания 5 В коэффициенты трансформации между первичной и вторичными обмотками соотносятся как 1:1:1, то есть все обмотки имеют одинаковое количество витков. При напряжении питания 3,3 В коэффициенты трансформации необходимо увеличить до 1:1,3:1,3.

В помощь разработчику компания Maxim приводит в описании на микросхему рекомендуемые импульсные трансформаторы. Большинство этих трансформаторов легко доступны для приобретения.

На микросхему MAX3535E выпускается демонстрационная плата MAX3535EEVKIT. Плата содержит собственно микросхему и развязывающий трансформатор. Ее без особого труда можно установить в свое изделие и опробовать.

MAX13442E/43E/44E

Трансиверы MAX13442E/MAX13443E/MAX13444E (рисунок 4) отличаются от ранее рассмотренных улучшенной защитой от аварийных ситуаций.

Рис. 4. MAX13442E/MAX13443E/MAX13444 (вид сверху)

Микросхемы MAX13442E/MAX13444E являются приемопередатчиками RS-485 и работают на скоростях до 250 кбит/с. Для уменьшения уровня электромагнитных помех и отражений имеется модуль ограничения скорости нарастания/спада выходного сигнала передатчика. Приемопередатчик MAX13443E может работать на скоростях до 10 Мбит.

Входной импеданс данных трансиверов составляет 1/4 единицы нагрузки, что позволяет параллельно подключить к шине до 128 приемопередатчиков. Напряжение питания 5 В. Защита от электростатического разряда: ±15 кВ.

При работе в промышленных сетях входы /выходы приемопередатчика RS-485 довольно часто испытывают повышенное напряжение, вызванное короткими замыканиями сигнальных и питающих проводов, которые превышают диапазон от -7 до 12 В, оговоренный в стандарте EIA/TIA-485.

В этих случаях при использовании обычных микросхем устройств RS-485 требуется применение дорогостоящих внешних устройств защиты. Для того, чтобы уменьшить сложность системы и устранить эту необходимость, входы/выходы приемопередатчиков MAX13442E /MAX13444E имеют встроенную схему защиты от перенапряжений до ± 80 В, (MAX13443E - до ± 60 В) по отношению к земле без повреждений. Защита обеспечивается независимо от того, активна микросхема или нет.

Существенным отличием от ранее рассмотренных микросхем является поддержка режима «горячей замены». Появление этого режима обусловлено тем, что в момент, когда на микроконтроллер с подключенным приемопередатчиком RS-485 подается питание, контроллер находится в состоянии инициализации, и его выходы находятся в состоянии с высоким выходным сопротивлением и не управляют входами приемопередатчика RE и DE. Но, тем не менее, токи утечки и паразитные емкости на печатной плате способны перевести управляющие входы приемопередатчика в некоторое активное состояние, что приведет к ошибочному включению микросхемы. Такое самопроизвольное включение порождает различного рода помехи на шине, которые могут привести к ошибкам передачи данных. Встроенная схема «горячей замены» как раз и предотвращает подобные явления.

Выход приемника микросхем находится в состоянии высокого логического уровня, когда входы приемника замкнуты, не подключены или когда шина находится в состоянии «idle». Это достигается за счет смещения входного дифференциального порогового напряжения приемника в диапазон от -50 мВ до -200 мВ, что вполне соответствует порогу ±200 мВ стандарта EIA/TIA-485. Эту особенность в литературе часто обозначают как «True Fail-Safe».

В микросхемах реализовано два механизма защиты выходов передатчика: по максимальному выходному току и по рассеиваемой мощности, которые должны их защитить при нештатных состояниях на шинах или замыканиях выходов. Схема защиты от перегрева срабатывает при температуре кристалла более 160°С и переводит выходы передатчика в высокоимпедансное состояние. Нормальная работа возобновляется, когда температура уменьшается до 140°C.

MAX13442E, MAX13443E и MAX13444E выпускаются в 8-контактных SOIC корпусах и работают в температурном диапазоне от -40 до 125°С.

MAX13450E/51E

В завершение обзора приемопередатчиков RS-485/RS422 рассмотрим сравнительно новые микросхемы MAX13450E/MAX13451E (рисунок 5). MAX13450 обеспечивает дуплексный, а MAX13451E полудуплексный обмен данными на скоростях до 20 Мбит/с.

Рис. 5. MAX13451E/ MAX13450E

Основной отличительной чертой данных трансиверов является наличие встроенных терминальных резисторов номиналом 100 и 120 Ом. Интегрированные резисторы можно подключать программно с управляющего микроконтроллера или вручную с использованием переключателей. Управление осуществляется через две ножки микросхемы: пином TERM производится включение/отключение резисторов, а пином TERM100 задается номинал резистора.

Данная функция существенно упрощает настройку канала RS-485, так как довольно тяжело предсказать, какое именно устройство будет крайним в данной конкретной реализации топологии сети. Поэтому на всех устройствах устанавливаются терминальные резисторы, которые потом отключаются либо подключаются через перемычки. Использование драйверов MAX13450E/51E позволяет решить эту проблему.

Кроме того, поскольку номинал терминального резистора задается с учетом скорости передачи, длины линии и сопротивления витой пары, заранее выбрать резистор практически невозможно. Но и эту проблему решают драйверы MAX13450E/51E, где заложены два варианта номиналов - 100 и 120 Ом.

Для минимизации уровня электромагнитных помех и отражений присутствует встроенная схема ограничения скорости нарастания/спада выходного сигнала передатчика на скорости до 500 кбит/с. Управление осуществляется через ножку SRL.

Входной импеданс составляет 1/8 единицы нагрузки, что позволяет параллельно подключить к шине до 256 приемопередатчиков. Напряжение питания 5 В. Защита от электростатического разряда ±30 кВ. Обе микросхемы включают низковольтный логический интерфейс 1,8 В, для работы с которым не требуется дополнительных компонентов.

MAX13451E имеет функцию инверсии. Инверсия позволяет логически инвертировать сигналы A-B, если вдруг окажется, что подключения линий A и B перепутаны.

Также MAX13451E имеет индикатор тревоги FAULT, который выставляется при возникновении ошибки на шине или перегреве микросхемы свыше 150°С.

MAX13450E, MAX13451E выпускаются в 14-контактных корпусах TSSOP и работают в температурном диапазоне от -40 до 125°С.

В таблице 1 представлена обобщенная информация по рассмотренным приемопередатчикам RS-485/RS422.

MAX13256

Микросхема MAX13256 представляет собой мостовой драйвер трансформатора для построения изолированных источников питания мощностью до 10 Вт. Применение таких драйверов весьма востребовано при построении промышленных сетей для питания изолированной части системы: они предотвращают воздействие высокого напряжения, которое может повредить основную схему.

Изолированные источники часто строятся на базе трансформатора и набора целого ряда дискретных компонентов, которые увеличивают габариты и стоимость конечного изделия. Драйвер MAX13256 осуществляет полное управление трансформатором и существенно упрощает построение такого источника.

MAX13256 обладает весьма высокой эффективностью - КПД достигает 90%, что сокращает рассеиваемую тепловую мощность, уменьшая нагрев окружающих элементов схемы, и повышает общую энергоэффективность. Кроме этого, при необходимости микросхема может работать в режиме пониженного энергопотребления, что позволяет снизить общий ток потребления до 0,65 мА. MAX13256 выпускаются в небольшом 10-выводном корпусе TDFN (3x3 мм) и работает в расширенном температурном диапазоне от -40 до 125°C.

Типичная схема включения MAX13256 представлена на рисунке 6. Драйвер осуществляет токовое управление первичной обмоткой трансформатора, ток поступает от источника постоянного напряжения. Диапазон входного напряжения - от 8 до 36 В (на рисунке 24 В). Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться практически любого напряжения на выходе.

Рис. 6. Типичная схема включения MAX13256

Частота преобразования задается внутренним или внешним генератором. Подключение ножки CLK задает выбор источника тактирования. При подключении CLK к земле автоматически выбирается внутренний источник. Внутренний генератор работает на частоте 425 кГц. Если подключить CLK к внешнему источнику, то частота преобразования будет определяться этим источником.

Для предотвращения перегрузки по току выходов ST1/ST2 используется резистор Rlim, подключенный к ножке ITH. Когда ток достигает предела и превышает его дольше 1,2 мс, драйвер отключается, и ножка FAULT переводится в состояние логического нуля. Через 38,4 мс драйвер снова включается и проверяет протекающий ток. Для корректного задания отсечки рекомендуется использовать резисторы с погрешностью не менее 1%. Также рекомендуется устанавливать порог тока с двукратным запасом: например, если ожидается рабочий ток 100 мA, то лучше установить отсечку на 200 мА.

Микросхема имеет также защиту от перегрева. При превышении температурой порога 160°C происходит ее отключение, пока температура не упадет до 150°C. Отключение также сопровождается переводом ножки FAULT в состояние логического нуля.

На рисунке 7 представлен один из вариантов использования MAX13256 при построении изолированной системы сбора и передачи данных от датчиков.

Основой системы является микроконтроллер (MCU), который собирает информацию c изолированных АЦП (ADC) и выдает некую управляющую информацию на ЦАП (DAC). Собрав информацию с датчиков, контроллер отправляет данные по изолированному интерфейсу RS485 и по нему же получает управляющие команды. Драйвер MAX13256 используется для подачи изолированого питания на ADC/DAC и интерфейс RS485. Отметим, что для организации двух изолированных систем питания достаточно всего одной микросхемы.

Заключение

Компания Maxim имеет в своем арсенале огромный набор приемопередатчиков RS-485/RS-422 и микросхем обвязки для построения промышленных сетей, и может удовлетворить практически любые требования разработчиков. Имея в своем распоряжении такую элементную базу, можно создать как самое простое и недорогое решение, так и сложный многофункциональный комплекс с уникальными возможностями.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]