Dual-Protokoll-Transceiver Schnittstellen für Industrie-PCs vereinfachen

Bild 1: Single-Ended Punkt-zu-Punkt-Datenverbindung
Bild 1: Single-Ended Punkt-zu-Punkt-Datenverbindung

Der Trend bei der Entwicklung von Industrie-PCs in Richtung kleinere Formfaktoren und mehr Vielseitigkeit bei der Datenkommunikation führt zu moderneren Bus-Transceivern.

Neue Transceiver beispielsweise von Intersil beziehungsweise Renesas Electronics (Renesas hat Intersil vor kurzem übernommen) werden aufgrund ihrer hohen Integrationsdichte, ihrer Dual-Protokoll-Fähigkeit (die RS-232- und RS-485-Standards unterstützt) und zahlreicher Konfigurationsmerkmale gegenüber herkömmlichen Designs bevorzugt.

Der folgende Beitrag beschreibt die am häufigsten verwendeten Schnittstellenstandards RS-232 und RS-485, deren Funktion und die Eigenschaften eines Dual-Protokoll-Transceivers. Darüber hinaus werden Anwendungsbeispiele mit mehreren Protokollen zur Diskussion gestellt, einschließlich Industrie-PCs.

Der RS-232-Standard

RS-232 ist eine Single-Ended-Vollduplex-Schnittstelle, die für eine reine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ausgelegt ist. Ein Treiber ist mit einem Empfänger verbunden, und umgekehrt ist ein Empfänger mit einem Treiber verbunden. Die Schnittstelle braucht eine Masseleitung zwischen Treiber- und Empfängermasse, um eine gemeinsame Referenz für Sende- und Empfangssignale bereitzustellen (Bild 1).

Bei RS-232 wird versucht, durch hohe Signalamplituden Störsicherheit zu erzielen. Der Standard verwendet inverse Logik und spezifiziert eine logische Null als Busspannung von +3 bis +15 V und eine logische Eins von –3 bis –15 V (Bild 2). Der Bereich von +3 bis –3 V ist unbestimmt.

Die meisten der heutigen RS-232-Designs verwenden einen oder zwei Datenkanäle, wobei jeder Kanal aus einem Sende- und Empfangssignalpaar besteht. Transceiver, die zwei Kanäle bereitstellen, können einen Kanal für die Datenübertragung und den anderen für die Handshake-Steuerung nutzen. Einkanalige Bausteine müssen auf eine Software-Ablaufsteuerung zurückgreifen.

Der RS-232-Standard spezifiziert eine maximale Signalrate von bis zu 19,8 KBit/s und eine maximale Flankensteilheit (Slew Rate) von 30 V/μs. Durch Verringerung der Busspannungsamplituden können moderne Transceiver jedoch Datenraten von bis zu 1 MBit/s unterstützen, ohne die Slew-Rate-Spezifikation zu verletzen. Obwohl keine Festlegung getroffen wurde, ist die maximale Kabellänge auf ca. 30 m begrenzt.

Der RS-485-Standard

RS-485 wurde in den frühen 1980er-Jahren entwickelt und stellt einen erheblich verbesserten Standard für eine robuste Datenübertragung in störbehafteten Umgebungen über weite Entfernungen dar. Der Standard nutzt eine differenzielle Signalübertragung über ein Signalpaar mit den zwei Leitern A und B. Er spezifiziert einen differenziellen Busspannungshub zwischen den beiden Leitern von mindestens 1,5 V, wenn eine differenzielle Last mit 54 Ω anliegt.

RS-485 unterstützt die Vernetzung von bis zu 32 Einheitslasten über eine Multipunkt-Bustopologie. Die Busknoten sind über verdrillte Doppelkabel (Twisted-Pair) miteinander verkettet (Bild 3). Die empfohlene Kabel-Impedanz von 120 Ω erfordert Abschlusswiderstände an beiden Kabelenden, deren Werte mit der Kabelimpedanz übereinstimmen müssen.

Da die Empfängereingänge intern mit Masse verbunden sind, ist keine separate Masseverbindung zwischen Treibern und Empfängern erforderlich – solange die Eingangsspannungen des Empfängers den vorgegebenen Gleichtaktspannungsbereich von –7 bis +12 V nicht überschreiten.

RS-485 unterstützt Leitungslängen bis zu 1200 m und Datenraten bis zu 10 MBit/s – aber nicht gleichzeitig. Die maximal zulässige Leitungslänge für eine bestimmte Datenrate folgt einer konservativen Leitungslängen-contra-Datenraten-Kennlinie, die in Bild 4 dargestellt ist.