Industrielle Kommunikation Schnell mit RS-485

Zwar ist RS-485 seit vier Jahrzehnten der PHY-Standard der Wahl für zahlreiche industrielle Kommunikationssysteme, aber nicht trivial zu implementieren. Anhand eines Beispieldesigns für einen Busknoten werden allgemeine Designrichtlinien und Layout-Empfehlungen vorgestellt.

von Thomas Kugelstadt, Principle Applications Engineer bei Intersil.

Schnelle RS-485-Datenverbindungen basieren auf relativ einfachen Konfigurationen wie eine einzelne oder parallele Punkt-zu-Punkt-, Voll- oder Halbduplex- oder Multi-Drop-Verbindung (Bild 1). Diese einfachen Abbildungen verbergen eine Reihe von Herausforderungen – von der Auswahl des Transceivers und Leiterplatten-Layouts an jedem Knoten bis hin zur Wahl des Kabels und des Verbindungsaufbaus. Um die Anforderungen des Endkunden zu erfüllen, sind immer größere Datenmengen mit minimal erkennbaren Fehlern über längere Strecken zu übertragen. Alle diese Aspekte muss ein Anwender dabei berücksichtigen und optimieren.

Signalverzerrungen in Form von Jitter sind der Hauptgrund, der praktikable Kabellängen begrenzt. Dieser Signaljitter entsteht durch Pulsversatz im Sender (Treiber) und Empfänger sowie durch musterabhängige Verzerrungen im Kabel. Der Pulsversatz ist die Differenz der Laufzeitverzögerungen für die ansteigenden und abfallenden Flanken im Treiber und Empfänger. Die vom Bitmuster abhängige Kabelverzerrung ergibt sich aus den schwankenden Signalanstiegs- und -abfallzeiten auf dem Bus, die durch variierende Bitsequenzen entstehen. Datenpulse reagieren auf bitmusterabhängige Verzerrungen mit Amplitudenverlust, abgerundeten Kanten, Zeitverschiebungen und einem »Verschmieren« des Pulses in benachbarte Bitintervalle.

Eine Datencodierung wie Manchester, 8b/10b oder 33hex trägt dazu bei, Jitter zu reduzieren. Das Codieren des Datenstroms fügt Übergänge in den Datenstrom ein, um die Kabelkapazität durch Laden und Entladen stabil zu halten und konsistentere Signalamplituden zu erzeugen. Da die Codierung jedoch die Lade- und Entladezeiten der Kabelkapazität verkürzt, verringert sich die Signalamplitude auf dem Bus.

Um den Empfänger mit einem zuverlässigen Eingangssignal zu versorgen, werden schnelle Transceiver mit großer Differenzausgangsspannung (VOD) und geringem Versatz empfohlen. Die große VOD verhindert, dass die Signalamplitude aufgrund von Kabeldämpfung, Codierung und Gleichtaktbelastung absinkt, und garantiert einen ausreichenden Störabstand an den entfernten Empfängereingängen.

In Low-Voltage-Designs sind billige 3-V-Transceiver mit Ausgangsstufen, die nur RS-485-konforme Ausgangsspannungen bei Versorgungsspannungen über 4 V bereitstellen, mit Vorsicht zu genießen. Bei niedrigen Versorgungsspannungen sinkt der Wirkungsgrad eines Transistors erheblich. Dies führt zu einer VOD, die bis zu 40 % unterhalb der für RS-485 erforderlichen Mindestspannung von 1,5 V liegt. Ein so niedriger Ausgang erzielt keinen ausreichenden Störabstand, um einen entfernten Empfänger anzusteuern.

Intersils Highspeed-Transceiver mit hoher Ausgangsspannung bieten eine Mindest-VOD von 160 % der festgelegten 1,5-V-Mindestspannung bei 4,5 V Versorgungsspannung bis hinab auf 100 % bei 3 V Versorgungsspannung. Damit stehen echte 3 V für RS-485 bereit. Die bei den höchsten Betriebstemperaturen gemessenen Differenzausgangsspannungen übertreffen die RS-485-Anforderungen um 27 % bei 3-V- und um 70 bis 93 Prozent bei 5-V-Transceivern. Hinzu kommt, dass ein geringer Pulsversatz den Anteil des Transceivers zum Gesamtjitter der Datenverbindung weiter verringert. Alle Highspeed-Transceiver von Intersil sind mit einem maximalen Pulsversatz von 1,5 ns ausgelegt. Zudem ist der Versatz von Baustein zu Baustein besser als 4 ns, was in synchronen Anwendungen von Bedeutung ist.