Журнал "Новости Электроники", номер 5, 2010 год.

Приемопередатчики MAXIM для индустриальных интерфейсов √ обзор новинок

Михаил Новиков

Проектирование промышленных установок═√ сложный процесс. Ошибки, возникающие на начальных стадиях, могут привести к большим проблемам в процессе дальнейшей разработки. Построение сети═√ необходимая часть этого процесса, а выбор протокола связи и элементной базы является самым важным ее этапом. В статье дан краткий обзор интерфейсов RS-485, RS-232 и HART, а также описание новых приемопередатчиков данных интерфейсов от компании Maxim.

Компания Maxim является мировым лидером в производстве интерфейсных микросхем разнообразной функциональной организации.

Все микросхемы обладают особенностями, позволяющими уменьшить стоимость, увеличить плотность компоновки элементов на плате за счет уменьшения количества дополнительных элементов, а также обеспечить разнообразную защиту устройств в линии связи.

В линейке интерфейсных микросхем MAXIM можно найти:

Приемопередатчики самых распространенных промышленных интерфейсов: RS-232, RS-485/RS-422, IrDA, CAN, LIN, LVDS, USB, HART;
Двухпротокольные устройства, позволяющие с помощью одной микросхемы соединить устройства с различными интерфейсами, например RS-232 и RS-485;
Многопротокольные устройства, поддерживающие следующие интерфейсы: RS-232, RS-449, RS-485, RS-530, RS-530A, V.10, V.11, V.28, V.35, V.36, и X.21;
Микросхемы защиты линий связи от электростатического перенапряжения, позволяющие обеспечить защиту микросхем и устройств по току;
Микросхемы контроля интерфейсных шин, позволяющие отреагировать на короткие замыкания в схеме и в случае необходимости подключить резервное питание к разрабатываемому устройству;
Микросхемы, упрощающие работу со smart-картами, а также контроллеры интерфейсов, ускоряющие создание USB- и SCSI-устройств;
Расширители портов ввода/вывода;
Двусторонние высокоскоростные преобразователи уровня логического сигнала для сопряжения микросхем с различным питанием в пределах одной платы.

В основном для связи промышленных устройств используются интерфейсы RS-485 и RS-232. Линейка приемопередатчиков этих интерфейсов от компании Maxim содержит более 300 различных устройств.

Протокол RS-485

Протокол RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard - Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации. Главное отличие RS-485 от RS-232 - возможность объединения нескольких устройств.

Перечислим основные свойства физического уровня интерфейса RS-485:

1. Двунаправленная полудуплексная передача данных. Поток последовательных данных передается одновременно только в одну сторону, передача в другую сторону требует переключения приемопередатчика. Приемопередатчики принято называть «драйверами» (driver).

2. Симметричный канал связи. Для приема/передачи данных используются два равнозначных сигнальных провода, которые обозначаются латинскими буквами «А» и «В». По этим проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использовании витой пары симметричный канал существенно повышает устойчивость сигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения, создаваемые полезным сигналом.

3. Дифференциальный способ передачи данных. На выходе приемопередатчика изменяется разность потенциалов, при передаче «1» разность потенциалов между A и B положительная, при передаче «0» - отрицательная. То есть ток между контактами А и В при передаче «0» и «1» течет (балансирует) в противоположных направлениях.

4. Многоточечность. Допускает множественное подключение приемников и приемопередатчиков к одной линии связи. Но в каждый момент времени передавать данные должен только один передатчик, а принимать данные может большое количество устройств.

5. Низкоимпендансный выход передатчика. Буферный усилитель передатчика имеет низкоомный выход, что позволяет передавать сигнал ко многим приемникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32 приемника на один передатчик. Кроме этого токовый сигнал используется для работы «витой пары» (чем больше рабочий ток «витой пары», тем сильнее она подавляет синфазные помехи на линии связи).

6. Зона нечувствительности. Если дифференциальный уровень сигнала между контактами АВ не превышает ±200 мВ, то считается, что сигнал в линии отсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.

Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля.

Некоторые микросхемы на рынке не имеют встроенной защиты от электростатического разряда, что вынуждает устанавливать дополнительные защитные устройства на плату. Интерфейсные микросхемы Maxim включают «ESD-структуры», которые защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15 кВ, а в некоторых моделях до уровня ±30 кВ.

Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, специалисты компании Maxim осуществляют многократные тестирования положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200 В для проверки последовательности заявленных уровней. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом «E».

Также для выходных драйверов интерфейсных микросхем опасен режим короткого замыкания, однако специалисты компании Maxim разработали уникальную систему защиты, отключающую выходные драйверы микросхемы не только при обнаружении короткого замыкания, но и при перегреве микросхемы, что обеспечивает продолжительный безотказный период работы.

Поскольку у микросхем компании MAXIM все системы защиты и преобразователи уровней находятся на одном кристалле, то схема подключения сильно упрощается (рис. 1). Минимальное количество навесных элементов позволяет максимально уплотнить размещение интегральных компонентов на плате, а минимальные размеры микросхем связи (вплоть до 2x2 мм) упрощают проектирование переносных устройств или устройств, работающих в ограниченном пространстве.

Рис. 1. Подключение дуплексных микросхем по протоколу RS-485

Сети, построенные на базе интерфейса RS-485, могут быть как дуплексные, так и полудуплексные. Полудуплексный режим - это режим, при котором передача ведется в обоих направлениях, но с разделением по времени. В каждый момент времени передача ведется только в одном направлении. Дуплексный режим - это режим, при котором передача данных может производиться одновременно с приемом данных. Иногда его также называют «полнодуплексным» режимом для того, чтобы яснее показать разницу с полудуплексным.

Как известно, стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики интерфейса связи и физический уровень (среду), но не программную платформу. Однако существует множество стандартизированных промышленных протоколов, работающих «поверх» стандарта RS-485. Среди этих протоколов, самым распространенным является PROFIBUS. Он объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи, что позволяет соединить разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - Распределенная периферия) - протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределенного ввода/вывода (ведомыми DP-устройствами).

Он характеризуется минимальным временем реакции, высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей и оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически протокол близок к RS-485, именно поэтому микросхемы, позволяющие работать по протоколу PROFIBUS, при желании пользователя можно перенастроить на работу по интерфейсу RS-485.

MAX14840E и MAX14841E

MAX14840E и MAX14841E - защищенные от электростатического разряда трансиверы, предназначенные для полудуплексных сетей RS-485 со скоростью передачи данных до 40 Мбит/с. Эти приемопередатчики оптимизированы для высокоскоростной связи устройств на большом расстоянии. Специальные системы защиты от несимметричности сигнала, а также увеличенный гистерезис входного сигнала позволяют значительно увеличить устойчивость к помехам.

Обычный ток потребления микросхем в режиме ожидания или в режиме работы (с отключенными выходными драйверами) составляет всего 1,5 мА. Устройства, построенные на этой микросхеме, могут включаться в уже работающую сеть «на лету», не вызывая переходные процессы, ухудшающие форму передающегося в данный момент сигнала.

Микросхемы MAX14840E и MAX14841E от компании Maxim доступны в восьмивыводном корпусе формата SO и малых восьмиконтактных (3х3 мм) корпусах формата TDFN-EP, но, независимо от форм-фактора, микросхемы работают в температурном диапазоне -40...125°C, что позволяет использовать их в автомобильных сетях.

Данная микросхема разрабатывалась для работы в высокоскоростной многоточечной сети RS-485 (рис. 2).

Рис. 2. Многоточечная сеть RS-485

Минимальное количество выводов микросхемы, а также высокая степень внутренней интеграции позволяет использовать ее практически без внешних элементов, что повышает плотность компоновки платы и упрощает использование микросхемы в малогабаритных переносных устройствах.

Микросхемы серии MAX14840E и MAX14841E содержат блок защиты выходных драйверов, который ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания линии, что позволяет сохранить выходные драйверы в рабочем состоянии, а также избежать больших потерь энергии. В данной микросхеме присутствует блок защиты от перегрева, который отключает выходные драйверы микросхемы при превышении температуры в 160°C.

Основные применения:

Системы управления двигателями;
Управление микроклиматом;
Промышленные системы управления;
Различные сети RS-485.

MAX14770E

В линейке микросхем от компании Maxim присутствует модель MAX14770E - приемопередатчик интерфейсов PROFIBUS-DP/RS-485. Новое поколение технологического процесса BiCMOS позволяет добиться высокой пропускной способности (20 Мбит/с) и при этом интегрировать в структуру надежную схему защиты от электростатического разряда (±35 кВ, HBM). Компактный корпус TDFN позволяет использовать эту микросхему в переносных устройствах. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40...125°C, что гарантирует надежность в сложных условиях.

MAX14770E повыводно совместима с MAX3469, что позволяет использовать ее для модернизации систем управления двигателями, сетей PROFIBUS-DP/RS-485 и промышленных шин.

MAX14770E имеет широкий диапазон напряжения питания, совместимый с промышленным стандартом (5 В ±10%). Микросхема выпускаются в компактном восьмивыводном корпусе TDFN (3x3 мм), а также восьмивыводном корпусе SO, для которого рабочий температурный диапазон -40...85°C.

Основные характеристики:

Отвечает требованиям Profibus-DP напряжение питания 4,5...5,5В;
Скорость передачи достигает 20Мбит/с;
Имеет защиту от короткого замыкания;
Имеет отказоустойчивый приемник;
Отключается при перегреве;
Имеет возможность горячей замены;
Имеет расширенную защиту от электростатического разряда: ±35кВ (модель человеческого тела); ±20кВ (модель разряда через воздушный зазор); ±10кВ (модель разряда при касании);
Имеет расширенный температурный диапазон -40...125°C для восьмивыводного корпуса TDFN (3x3мм).

Благодаря этим особенностям микросхемы имеют очень широкие области применения. Помимо устройств в промышленных сетях и системах кодирования промышленного оборудования эти микросхемы активно используются в системах управления двигателями, а также в сетях PROFIBUS-DP.

MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E

Микросхемы серии MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E от компании Maxim - приемопередатчики интерфейса RS-485, работающие в полнодуплексном режиме и в режиме по выбору: полу- и полнодуплексном (рис. 3).

Рис. 3. Внутренняя структура микросхем семейства MAX13181E-MAX13184E

Особенностью этих микросхем является то, что они выпускаются в компактных корпусах mDFN с габаритами 2х2 мм и предназначены для применения в разработках, критичных к габаритам. Несмотря на размеры, они имеют улучшенную защиту от электростатического разряда ±15 кВ, а также подтягивающие и заземляющие нагрузочные резисторы на входах DE, RE и F для уменьшения количества внешних компонентов.

Особенностью микросхем MAX13182E, MAX13184E также является очень низкий ток в отключенном режиме, что необходимо в приложениях, критичных к энергопотреблению. Входы приемника микросхемы создают импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, что дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Микросхемы MAX13181E, MAX13182E включают драйверы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала, что уменьшает электромагнитные помехи и отражения сигналов, возникающие при неправильной разводке кабелей. Однако применение драйверов с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала позволяет осуществлять передачу данных со скоростью до 250 кбит/с, хоть и значительно уменьшает количество ошибок.

MAX13183E, MAX13184E, в отличие от предыдущих ИС, имеют драйверы, работающие на полной скорости, что позволяет добиться скорости передачи данных до 16 Мбит/с. Особенностью этих микросхем является возможность выбора полу- или полнодуплексного режима работы, а MAX13182E и MAX13184E работают только в полнодуплексном режиме. Все выходы передатчиков и входы приемника имеют улучшенную защиту от электростатического разряда.

Все микросхемы MAX13181E...MAX13184E выпускаются в 10-выводном корпусе mDFN с габаритами 2х2 мм и в 14-выводном корпусе SO. Все они работают в расширенном температурном диапазоне -40...85°C.

Среди особенностей описываемых микросхем можно выделить следующие:

10-выводной корпус mDFN с габаритами 2х2мм и 14-выводной корпус SO;
Напряжение питания 5В;
Расширенная защита от электростатического разряда;
±15кВ (Спецификация HBM- модель человеческого тела);
±12 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда через воздушный зазор);
±6 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда при касании);
Режим работы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала для передачи данных без ошибок (MAX13181E, MAX13182E);
Низкий ток потребления 2,5мкА в режиме отключения;
Импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, который дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Благодаря малым размерам и низкому потреблению тока данные микросхемы отлично подходят для применения в переносных устройствах с автономным питанием, которые могут использоваться как при управлении производственными процессами, так и в измерительной аппаратуре, в системах безопасности и в телекоммуникационном оборудовании.

MAX13448E

MAX13448Е - дуплексные приемопередатчики интерфейса RS-485 с защитой входов и выходов от перепадов напряжения ±80 В (относительно земли). MAX13448E работает от источника питания номиналом 3...5,5 В. Особенностью ИС является схема защиты, которая гарантирует наличие логического состояния высокого уровня на выходе приемника в случае отключения или замыкания входов. Это позволяет все выходы приемника, подключенные к шине, перевести в состояние высокого логического уровня при отключении всех приемопередатчиков.

Возможность работы ИС при наличии перепадов напряжения ±80 В на выводах интерфейса RS-485 позволяет устранить необходимость применения внешней схемы защиты, которая обычно содержит самовосстанавливающиеся предохранители и стабилитроны.

Встроенная схема защиты успешно используется в таких архитектурах как USB и CAN, в которых питание и передача данных осуществляет по одному кабелю. MAX13448E хорошо подходит для применения в промышленных системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системах управления электродвигателями.

Основной особенностью микросхемы MAX13448E является модуль ограничения скорости нарастания выходного напряжения, использование которого снижает уровень электромагнитных помех и эффект наводок на кабель, что позволяет осуществлять безошибочную передачу данных на скорости до 500 Кбит/с при питании 5 В и 250 Кбит/с при питании 3,3 В.

В MAX13448E предусмотрена функция горячей замены, которая устраняет возможность передачи неправильных данных в моменты включения питания или при включении ИС в работу без отключения источника питания. Драйвер и приемник микросхемы имеют, соответственно, активный высокий и активный низкий логический уровень включения, что дает возможность при совместном включении извне управлять направлением передачи.

Полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы всех драйверов имеют защиту от электростатического разряда до ±8 кВ (касание человека - Human Body Model). MAX13448E работает в температурном диапазоне -40...85°C и выпускается в 14-контактных корпусах SO.

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E - полудуплексные приемопередатчики для интерфейсов RS-485/RS-422, оптимизированные для применения в схемах с изолированными контурами. Эти ИС включают встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения, драйвер и приемник. Встроенный стабилизатор позволяет работать от нерегулируемого источника питания номиналом до 28 В. Функция автоматического перенаправления пересылаемых данных (архитектура AutoDirection фирмы Maxim) дает возможность уменьшить количество оптических элементов для развязки. Среди других особенностей можно отметить защиту от электростатического разряда, схему ограничения скорости нарастания напряжения, схему повышения отказоустойчивости, способность пересылки данных на максимальной скорости.

Встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения вырабатывает напряжение номиналом 5 В ±10%, которое используется для питания внутренних цепей приемопередатчика. Выход встроенного регулятора напряжения выведен на VREG, что позволяет пользователю подключить внешние компоненты к источнику стабильного напряжения при условии, что потребляемый ток будет меньше 20 мА. В MAX13410E/MAX13411E нет выхода напряжения 5 В, но его выводы соответствуют промышленному стандарту, что позволяет легко встраивать ИС в промышленные системы.

В MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E и MAX13413E полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы драйвера имеют защиту от электростатического напряжения.

Особенностью ИС MAX13412E/MAX13413E является функция автоматического перенаправления потока данных. Подобная архитектура устраняет необходимость использования сигналов управления DE и RE.

В MAX13410E/MAX13412E применяется схема ограничения скорости нарастания напряжения, что снижает создаваемые электромагнитные помехи и обеспечивает устойчивую работу в условиях высоких внешних электромагнитных помех при скорости передачи данных до 500 Кбит/с. В MAX13411E/MAX13413E схема ограничения не применяется, но эти микросхемы могут передавать данные на скорости до 16 Мбит/с.

Микросхемы работают в температурном диапазоне -40...85°С и выпускаются в 8-контактных корпусах SO.

Интерфейс RS-232

Несмотря на все положительные качества интерфейса RS-485, интерфейс RS-232 до сих пор часто используется в промышленных системах. Он был разработан для простого применения, определяемого из его названия: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду».

Интерфейс RS-232 создан для передачи информации между двумя устройствами на расстояние до 20 м. Он основан на передаче дифференциального сигнала, однако отличается уровнями и полярностью.

Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, что обеспечивает большую устойчивость к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект вызван электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Логические уровни передатчика: «0» - 5...15 В, «1» - -5...-15 В.

Логические уровни приемника: «0» - выше 3 В, «1» - ниже -3 В.

Несмотря на то, что протокол RS-232 создавался давно, специалисты компании Maxim до сих пор улучшают аппаратную часть сети, которая позволяет обеспечить большую надежность промышленных систем.

MAX13223E

Новый двухканальный приемопередатчик MAX13223E для интерфейса RS-232 имеет встроенную защиту входов/выходов до напряжения ±70 В. MAX13223E - это первый на рынке приемопередатчик с защитой от перенапряжения, совместимый по выводам с MAX3223E, являющимся в настоящее время промышленным стандартом.

В новую микросхему интегрированы цепи защиты входов/выходов от короткого замыкания на шины питания, ошибок подключения и перенапряжения до ±70 В, что устраняет необходимость использования внешних защитных цепей. Такая защита особенно критична для приложений, в которых питание и данные передаются по одному и тому же проводу, т.к. предотвращает выход схемы из строя из-за ошибок подключения и коротких замыканий на выводы интерфейса при повреждении кабеля.

Запатентованная Maxim схема AutoShutdown позволяет довести потребляемый ток в отключенном режиме до 1 мкА. Микросхема MAX13223E автоматически переходит в режим низкого потребления энергии при отключении связующего кабеля RS-232 или при отсутствии данных на входе приемника. Запатентованная эффективная схема подкачки напряжения питания и низкий уровень падения напряжения в тракте передачи обеспечивает работу микросхемы от однополярного источника напряжения номиналом 3...5 В.

MAX13223E, выполненный в корпусе TSSOP-20, работает в диапазоне напряжений питания 3...5,5 В, обеспечивая интерфейс EIA/TIA-232 и V.28/V.24 с автоматическим отключением и улучшенной защитой от разрядов статического электричества. Температурный диапазон микросхемы -40...85°C.

MAX13223E создана для использования в автомобильных приложениях, средствах связи, базовых станциях, системах учета коммунальных услуг, промышленном оборудовании, торговых терминалах и телекоммуникационном оборудовании.

Типовая схема подключения (рис. 4) содержит минимум навесных элементов, что позволяет максимально упростить разводку платы, а также максимально уплотнить расположение элементов на плате.

Рис. 4. Типовая схема включения

MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E

Приемопередатчики интерфейса RS-232 MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E разработаны для замены существующих приемопередатчиков семейства MAX3224E...MAX3227E и обеспечивают высокую скорость передачи данных (до 3 Мбит/с). Встроенные регуляторы напряжения позволяют работать с логическими уровнями при низком напряжении питания, а за счет использования схемы AutoShutdown Plus ток потребления уменьшился до уровня менее 1 мкА. Схема ESD обеспечивает высокий уровень защиты от статического разряда.

Микросхемы MAX13234E...MAX13237E обеспечивают возможность работы при высокой скорости передачи данных за счет отсутствия необходимости использования внешнего преобразования логических уровней. Микросхемы MAX13234E и MAX13235E включают два приемника и два передатчика. MAX13236E и MAX13237E включают один приемник и один передатчик, выпускаются в компактном корпусе TQFN. MAX13235E и MAX13237E обеспечивают скорость передачи данных до 3 Мбит/с, а MAX13234E и MAX13236E поддерживают работу на скорости 250 кбит/с. Все устройства работают в расширенном температурном диапазоне -40...85°C от источника питания номиналом 3...5,5 В.

Данные микросхемы были созданы для применения в основном в области коммуникационных систем, но они также идеально подойдут для портативных электронных устройств и промышленного оборудования.

HART-протокол

Если в описанных выше интерфейсах для передачи данных использовалось напряжение, т.е. сигнал определялся разницей напряжения между двумя выводами схемы, то в протоколе HART (Highway Addressable Remote Transducer) электрическим сигналом является ток. Сети HART построены по принципу аналоговой токовой петли с частотной модуляцией сигнала.

Протокол HART способен обеспечить обмен данными на скорости до 1200 Бод. Диаграмма, поясняющая работу приборов по HART-протоколу, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принцип обмена данными по HART-протоколу

Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200 Гц.

Как видно на рисунке 5, HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4...20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4...20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный-подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

В режиме передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика.

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

DS8500

Компания Maxim Integrated Products, Inc представила DS8500 - однокристальный HART-модем, отвечающий на физическом уровне требованиям спецификации HART.

Как видно на рис. 6, на кристалле интегрированы модулятор и демодулятор 1200/2200 Гц частотно-модулированного сигнала.

Рис. 6. Внутренняя структура микросхемы DS8500

Микросхема имеет очень малое энергопотребление и благодаря реализованной цифровой сигнальной обработке требует лишь несколько внешних компонентов. Входной сигнал оцифровывается АЦП и поступает на цифровой фильтр/демодулятор. Архитектура модема позволяет уверенно обнаруживать сигнал даже в зашумленной среде. Выходной ЦАП генерирует синусоидальное напряжение и сохраняет сдвиг фаз при переключении частот 1200 и 2200 Гц. Низкое потребление достигается запрещением работы приемника во время передачи сигнала, передатчик не работает во время приема. DS8500 идеальны для создания малопотребляющих передатчиков систем управления технологическими процессами.

Как видно на рис. 7, всего несколько внешних компонентов и 20-выводной миниатюрный корпус TQFN уменьшают стоимость и габариты изделия.

Рис. 7. Схема подключения микросхемы DS8500

Основные особенности модема:

Однокристальное решение для полудуплексной передачи, 1200бод, FSK-модуляция и демодуляция;
Цифровая сигнальная обработка, обеспечивающая надежное детектирование входного сигнала в зашумленной среде;
Синусоидальный выходной сигнал с минимальными гармоническими искажениями;
Стандартная тактовая частота 3,6864МГц;
Соответствие требованиям спецификации HART на физическом уровне;
Напряжение питания в диапазоне 2,7...3,6В;
Максимальный ток потребления 285 мкА;
Миниатюрный 20-выводной корпус TQFN с размерами 5х5х0,8мм.

Благодаря активному использованию протокола HART, микросхема DS8500 незаменима при разработке передатчиков для устройств сбора информации (температуры, давления и т.д.), HART-модемов или HART-мультиплексоров.

Заключение

Хотя стандарты RS-232 и RS-485 были созданы более 30 лет назад, они активно используются до сих пор. Ранее ни один персональный компьютер не мог обойтись без COM-порта, передача данных по которому основывается на протоколе RS-232. Даже несмотря на то, что в современных компьютерах COM-порт давно заменен более современными, это еще не означает, что протоколы RS-232 и RS-485 забыты.

В промышленных сетях им нет равных из-за высокой стабильности и больших расстояний, на которых обеспечивается передача данных. Однако эта надежность определяется не только первоначальной удачной разработкой протокола, но и постоянным совершенствованием аппаратной части.

Интерфейсная продукция компании MAXIM идеально удовлетворяет потребностям российского рынка промышленной электроники, а интерфейсы еще долго будут жить. Maxim активно совершенствует надежностные характеристики микросхем связи и расширяет их дополнительный функционал.