Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №10

Проектирование надежных изолированных интерфейсов передачи данных RS-232 для промышленных систем с жесткими рабочими условиями

О’Брайен Морис (Maurice O’Brien)


Ключевое требование, предъявляемое к промышленным и измерительным системам, — это наличие надежного интерфейса передачи данных для получения информации от систем, подключаемых через порт диагностики. Одним из наиболее известных и самым широко применяемым в промышленных и измерительных системах стандартом шины физического уровня является RS-232.

Введение

Стандарт RS-232, определяющий параметры передачи данных при помощи несимметричных сигналов, появился на свет в 1962 году. И, несмотря на постоянные слухи о его «скорой кончине», этот стандарт продолжают широко применять в промышленности для связи через кабели небольшой длины.

Для реализации устойчивого канала передачи данных в жестких промышленных условиях порт диагностики RS-232 должен обеспечить изолированный интерфейс между кабельной структурой и подключенными к ней системами. Такой интерфейс дает защиту от выбросов напряжения и контуров в цепи заземления в средах с высоким уровнем шумов, а также повышает надежность системы (рис. 1). Гальваническая развязка напряжения питания в канале связи RS-232 может быть реализована при помощи изолированного источника напряжения питания или при помощи устройств на базе технологии интегрированных преобразователей постоянного напряжения isoPower компании Analog Devices. Гальваническая развязка сигналов в канале связи RS-232 может быть реализована при помощи оптопар или устройств на основе технологии iCoupler компании Analog Devices.

Типичный изолированный канал связи RS-232

Рис. 1. Типичный изолированный канал связи RS-232

Как показано на рис. 2, изоляционный барьер обеспечивает гальваническую развязку шины RS-232 от каждой подключенной к ней системы, что позволяет передавать цифровые данные между двумя точками и одновременно предотвратить протекание токов по контурам в цепи заземления. Благодаря этому устраняется влияние шума, проникающего в кабель, и, как следствие, уменьшаются искажения сигнала.

Гальваническая развязка

Рис. 2. Гальваническая развязка

Реализация изолированного интерфейса RS-232

Для реализации изолированного интерфейса связи RS-232 устройства на обоих концах канала передачи данных должны быть изолированы от соединяющего их кабеля RS-232. Для полной гальванической развязки канала необходимо обеспечить гальваническую развязку как сигнальных линий, так и напряжения питания. Данные, поступающие из порта UART подключаемого оборудования, должны пересечь изоляционный барьер и попасть в приемопередатчик RS-232 на изолированной стороне шины. Локальное напряжение питания 5 В/3,3 В также необходимо передать через изоляционный барьер для питания приемопередатчика RS-232. Те же самые требования предъявляются и к промышленному ПК: и данные, и напряжение питания должны пройти через изоляционный барьер (рис. 3).

Изолированный интерфейс RS-232

Рис. 3. Изолированный интерфейс RS-232

Благодаря гальванической развязке обоих устройств от кабельной сети RS-232 обеспечивается защита схем и в порте диагностики, и в промышленном ПК от коротких и сильных помех, которые могут быть наведены на кабель в средах с жесткими рабочими условиями. Гальваническая развязка также размыкает контуры в цепи заземления, которые могут возникать из-за разности потенциалов «земли» в порте диагностики и промышленном ПК. И наконец, изоляционный барьер не пропускает высокие синфазные напряжения, которые могут возникать на шине RS-232, защищая пользователей изолированных данных.

Технологии гальванической развязки данных и питания

На рис. 4 дано сравнение двух основных технологий гальванической развязки. Технология iCoupler (рис. 4a) обеспечивает гальваническую развязку сигналов в системе RS-232 при помощи методов обработки тонкопленочных структур, позволяющих создавать миниатюрные интегрированные трансформаторы с предельным выдерживаемым напряжением 2,5 кВ. В устаревшей, но широко применяемой технологии на основе оптопар (рис. 4б) используются светоизлучающие диоды и фотодиоды. Светодиоды преобразуют электрические сигналы в свет, а фотодетекторы преобразуют свет обратно в электрические сигналы. Низкий КПД преобразования электричества в свет приводит к сравнительно высокому потреблению мощности, медленный отклик фотодиодов ограничивает их быстродействие, а эффекты старения ограничивают срок их эксплуатации.

Сравнение технологий гальванической развязки

Рис. 4. Сравнение технологий гальванической развязки: а) технология гальванической развязки iCoupler; б) гальваническая развязка при помощи оптопар

Изготовление трансформаторов непосредственно на кристалле путем специальной обработки пластины дает возможность без существенных экономических затрат интегрировать каналы, выполненные по технологии iCoupler, друг с другом, а также с другими полупроводниковыми схемами. Примером подобной интеграции служит ADM3252E — изолированный двухканальный приемопередатчик RS-232 в одном компактном корпусе. Технология гальванической развязки iCoupler позволяет преодолеть ограничения, накладываемые решениями на основе термопар, как минимум по пяти направлениям, обеспечивая высокую надежность, простоту применения, уменьшение энергопотребления, увеличение быстродействия и высокую степень интеграции, которая, в свою очередь, дает сокращение габаритов и уменьшение стоимости системы.

До недавнего времени для передачи напряжения питания через изоляционный барьер требовался либо отдельный преобразователь постоянного напряжения, имеющий большие габариты, высокую стоимость и недостаточную степень гальванической развязки, либо нестандартное решение на дискретных компонентах, которое является громоздким и сложным в проектировании. Эти подходы были единственными жизнеспособными альтернативами, даже для таких задач, как изолированная передача данных через RS-232, в которой достаточно небольшой мощности изолированного питания.

Для решения этой проблемы компания Analog Devices разработала и реализовала полнофункциональное интегрированное решение, которое обеспечивает одновременно передачу сигналов и питания через изоляционный барьер при помощи миниатюрных трансформаторов. Это развитие уже состоявшейся технологии iCoupler, которое получило название isoPower, представляет собой революционную альтернативу. Гальваническая развязка сигналов и напряжения питания в рамках одного компонента с выдерживаемым напряжением до 2,5 кВ избавляет от применения изолированного источника питания, который является громоздким, дорогим и сложным в проектировании. Благодаря этой технологии можно значительно сократить время проектирования, уменьшить стоимость и место, занимаемое на печатной плате подсистемой гальванической развязки для типичного изолированного интерфейса RS-232. В следующих разделах будут рассмотрены два типичных сценария проектирования интерфейса RS-232, в которых может быть применена эта технология.

Изолированный, быстродействующий двухканальный интерфейс RS-232

На рис. 5 приведено сравнение устаревшего решения на основе дискретных компонентов с полностью интегрированным решением.

Сравнение проектов изолированного интерфейса RS-232

Рис. 5. Сравнение проектов изолированного интерфейса RS-232: а) дискретное решение (старый метод); б) интегрированное решение (новый метод)

Традиционный способ реализации полностью изолированного двухканального интерфейса RS-232 (рис. 5a) заключается в применении оптопар для гальванической развязки сигналов данных в канале RS-232. Для каждой линии данных (TIN1, TIN2, ROUT1, ROUT2) необходима одна оптопара, а также внешний буфер. Для получения изолированного напряжения питания используется интегральная микросхема (ИМС) драйвера трансформатора, управляющая дискретным трансформатором, а также простая схема выпрямления и стабилизатор с малым падением напряжения для устранения пульсаций в цепи изолированного напряжения питания 5 или 3,3 В (ISO VCC). Таким образом, в этом проекте требуется восемь ИМС и ряд пассивных компонентов, а также значительное место на печатной плате.

В однокристальном решении (рис. 5б) полностью изолированный (2,5 кВ) интерфейс RS-232 для всех четырех сигналов может быть реализован при помощи всего одной ИМС (ADM3252E), а также двух развязывающих конденсаторов и четырех конденсаторов накачки заряда.

ИМС ADM3252E (рис. 6) совмещает в себе стандартный приемопередатчик RS-232 с четырьмя каналами iCoupler, обеспечивающими гальваническую развязку сигналов данных RS-232. В ней также применена технология isoPower — для гальванической развязки напряжения питания. Благодаря интеграции в рамках приемопередатчика RS-232 технологий гальванической развязки iCoupler и isoPower, ADM3252E обеспечивает полностью изолированный интерфейс RS-232 с выдерживаемым напряжением до 2,5 кВ rms в одном корпусе (12×12 мм), для работы которого достаточно всего шести внешних конденсаторов.

Изолированный двухканальный приемопередатчик RS-232 АDM3252E

Рис. 6. Изолированный двухканальный приемопередатчик RS-232 ADM3252E

Это однокристальное решение позволяет значительно сократить время проектирования и пространство, необходимое для размещения изолированного интерфейса RS-232 на печатной плате. Благодаря существенному уменьшению количества компонентов, которое необходимо разместить на печатной плате, снижается стоимость производства и повышается надежность разрабатываемого устройства. Более того, ADM3252E можно использовать в системах с напряжением питания как 5 В, так и 3,3 В без внесения каких-либо модификаций в схему, которые неизбежно потребовались бы в проекте на дискретных компонентах.

Технология isoPower обеспечивает гальваническую развязку напряжения питания непосредственно на кристалле, что избавляет от необходимости в дорогом дискретном трансформаторе, применяемом в дискретных решениях. В свою очередь, технология iCoupler обеспечивает гальваническую развязку сигнальных линий (данных), избавляя от необходимости в четырех дискретных каналах на термопарах.

Защита от электростатического разряда

Поскольку подключение и отключение кабеля RS-232 производится непосредственно пользователем, для обеспечения устойчивости и надежности интерфейса очень важно, чтобы выводы передачи и приема RS-232 (TxD1, TxD2, RxD1, RxD2) имели защиту от электростатического разряда. ADM3252E обладает защитой от электростатического разряда по выводам RINx и TOUTx, которая отвечает требованиям стандарта IEC 1000-4-2 (801.2):

  • Контактный разряд: ±8 кВ.
  • Бесконтактный разряд: ±15 кВ.

Защита от коротких импульсных помех

Для того чтобы изолированный приемопередатчик RS-232 мог работать в очень жестких условиях, характерных для промышленных систем, технологии гальванической развязки (и iCoupler, и isoPower) испытываются на устойчивость к коротким помехам с быстрым (>25 кВ/мкс) изменением синфазного напряжения. Она характеризуется максимальной скоростью нарастания синфазного напряжения (разница потенциалов между сторонами компонента, подключаемыми к логическим схемам и шине), которую может выдерживать компонент без выхода за рамки заявленного качества функционирования. Амплитуда импульса — это диапазон допустимых значений изменения синфазного напряжения. Скорость нарастания синфазного напряжения учитывает как передний, так и задний фронт синфазного напряжения. Устойчивость к коротким импульсным помехам гарантирует, что подобные помехи, наводимые на кабель RS-232 в жестких рабочих условиях, не приведут к повреждению приемопередатчика RS-232 или ошибочному приему данных, и позволяет реализовать канал передачи данных, обладающий очень высокой надежностью.

Соответствие компонента стандартам безопасности

Изолированные приемопередатчики RS-232 компании Analog Devices поддерживают гальваническую развязку между сторонами компонента, подключаемыми к логическим схемам и к шине, выдерживая напряжение до 2,5 кВ. Благодаря этому гарантируется, что токи со стороны компонента, подключаемой к логическим схемам, не будут попадать в кабель RS-232, и наоборот. Этим также гарантируется, что напряжения, наводимые на кабель RS-232, не достигнут стороны, подключаемой к логическим схемам. И наконец, гальваническая развязка с выдерживаемым напряжением до 2,5 кВ также означает, что пользователи на стороне компонента, подключаемой к логическим схемам, защищены от высоких напряжений, которые могут возникать в кабеле RS-232.

ADM3252E в настоящее время проходит сертификацию в следующих организациях: Underwriters Laboratories (UL), Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) и Canadian Standards Association (CSA). Для соответствия требованиям UL 1577 необходимо, чтобы изоляционный барьер всех компонентов ADM3252E подвергался 100%-ному тестированию при производстве (как в случае с оптопарами):

  • Требования для сертификации UL:
    – выдерживаемое напряжение 2500 В rms в течение одной минуты (UL 1577).
  • Сертификат соответствия VDE:
    – IEC 60747-5-2 (VDE 0884, часть 2);
    – VIORM = 560 В (пиковое).
  • Уведомление о признании компонента CSA #5A.

Характеристики ADM3252E

Двухканальный быстродействующий приемопередатчик интерфейса RS-232 с полной гальванической развязкой (гальваническая развязка линий данных и питания) ADM3252E оптимален для работы в жестких электрических условиях или в системах, где выполняется частое подключение/отключение кабелей RS-232. Компонент содержит четыре интегрированных, независимых канала цифровой гальванической развязки (два на передачу, два на прием) iCoupler и миниатюрные преобразователи постоянного напряжения isoPower. Он выдерживает напряжение 2,5 кВ rms, обладает устойчивостью к импульсным помехам до 25 кВ/мкс и защитой от напряжения электростатического разряда до ±15 кВ. Приемопередатчик поддерживает передачу данных с пропускной способностью до 460 кбит/с и соответствует требованиям спецификации TIA/EIA-232E. Наличие удвоителя и инвертора напряжения, интегрированных на кристалле, позволяет компоненту работать от одного напряжения питания. ADM3252E работает от напряжения питания в диапазоне от 3 до 5,5 В, потребляя 20 мА в отсутствие нагрузки. Компонент выпускается в корпусе CSP BGA с 44 шариковыми контактами и имеет габариты посадочного места 12×12 мм.
Его рабочий температурный диапазон составляет от –40 до +85 °C. Цена за штуку — $8,49 при заказе от 1000 шт.

Конструирование печатной платы

Чтобы гарантировать выполнение заявленной в спецификации гальванической развязки с выдерживаемым напряжением до 2,5 кВ, в реальном проекте необходимо уделить повышенное внимание конструированию печатной платы изолированного приемопередатчика. Основные вопросы, которые следует учесть, — это поверхностный путь утечки (кратчайшее расстояние между двумя проводниками по поверхности) и зазор (кратчайшее расстояние по воздуху) между цепями заземления (GND) сторон компонента, подключаемых к логическим схемам и к шине. Для работы логических интерфейсов ADM3252E не требуется каких-либо дополнительных внешних схем. Ко всем выводам питания необходимо подключить развязывающие конденсаторы (рис. 7). Дополнительные рекомендации по проектированию печатной платы и ограничению уровня излучаемых помех можно найти в [1].

Рекомендованная топология проводников печатной платы

Рис. 7. Рекомендованная топология проводников печатной платы для подключения ADM3252E

Изолированный, быстродействующий одноканальный интерфейс RS-232

В приемопередатчиках, в которых необходим всего один канал (одна линия передачи, одна линия приема), можно использовать ADM3251E. Это ИМС изолированного интерфейса RS-232 с напряжением питания 5 В, представляющая собой готовое однокристальное решение в 20-выводном корпусе SOIC. Приемопередатчик ADM3251E включает в себя схемы, изготовленные по технологиям iCoupler и isoPower. Это первый приемопередатчик RS-232 в корпусе для поверхностного монтажа, который обеспечил полную гальваническую развязку как линий данных, так и напряжения питания. Обладая выдерживаемым напряжением 2,5 кВ, он соответствует требованиям к гальванической развязке, которые предъявляются промышленными стандартами (UL1577 и DIN VDE 0884-10). Благодаря этому он способен гарантировать устойчивое функционирование в рабочих условиях с высоким шумом, например в изолированных портах диагностики оборудования промышленных систем управления и автоматизации. Корпус SMT позволяет сократить занимаемую на печатной плате площадь на 45% по сравнению с традиционными микросхемами, что помогает ускорить процесс производства и снизить стоимость разработки системы (рис. 8, таблица).

Одноканальный приемопередатчик RS-232

Рис. 8. Одноканальный приемопередатчик RS-232: a) устаревший подход; б) подход с применением технологий iCoupler и isoPower

Таблица. Характеристики ADM3251E

Минимальное положительное напряжение питания, В 4,5
Скорость передачи, кбит/с 460
Выдерживаемое напряжение, кВ rms 2,5
Количество каналов передачи 1
Количество каналов приема 1
Защита от электростатического разряда, кВ 15
Режим отключения Нет
Корпус 20-выводный широкий SOIC
Цена, $ 2,99

Заключение

Современные решения для интерфейсов RS-232 в промышленном и измерительном оборудовании должны иметь малые габариты, повышенную устойчивость, низкую стоимость, а также гальваническую развязку. Интеграция схемы гальванической развязки на базе миниатюрных трансформаторов со стандартным приемопередатчиком интерфейса RS-232 позволяет реализовать однокристальные, полностью изолированные (включая напряжение питания) приемопередатчики RS-232, обладающие всеми перечисленными достоинствами. Двухканальный приемопередатчик ADM3252E и одноканальный приемопередатчик ADM3251E значительно сокращают время проектирования и обеспечивают компактное, надежное, недорогое и высокопроизводительное решение в задачах, в которых предъявляются повышенные требования к надежности и безопасности.

Литература

  1. Application Note AN-0971, Recommendations for Control of Radiated Emissions with isoPower Devices, http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-0971.pdf

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке