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Dual-Protokoll-Transceiver

Schnittstellen für Industrie-PCs vereinfachen

26. April 2017, 14:33 Uhr | Von Thomas Kugelstadt, Principle Applications Engineer bei Intersil, ein Unternehmen von Renesas Electronics

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Mehrpunkt-Topologien

RS-485 unterstützt Mehrpunkt-Topologien, bei denen jeder Busknoten Daten senden oder empfangen kann. Es gibt zwei Arten von Mehrpunkt-Bussen: Halbduplex und Vollduplex (Bild 5). Ein Halbduplex-Bus verwendet zwei Leitungen, wobei ein Knoten Daten übertragen kann, während ein anderer Knoten Daten empfängt. Bei einem Vollduplex-Bus werden zwei Signalpaare (vier Leitungen) verwendet. Ein Paar verbindet den Treiber des Master-Knotens mit den Empfängern mehrerer Slave-Knoten und das andere Paar verbindet die Treiber der Slave-Knoten mit dem Empfänger des Master-Knotens. Diese Topologie erlaubt dem Master, entweder Daten an alle Slaves zu senden oder einen bestimmten Slave-Knoten anzusprechen, während gleichzeitig Daten von den Slave-Knoten (jeweils von einem Slave) empfangen werden. Ein Vollduplex-Bus erhöht den Datendurchsatz, ist aber aufgrund des höheren Verdrahtungsaufwandes wesentlich teurer als ein Halbduplex-Bus.

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Moderne Transceiver sind in der Lage, die Designs neuer Industrie-PCs und RS-232-zu-RS-485/422-Schnittstellenwandler zu unterstützen. Letztere sind für bestehende RS-232-Geräte wie ältere PCs, Instrumentierung und Maschinen erforderlich, bei denen die Schnittstellen entweder an ein einziges Netzwerk angeschlossen oder über lange Distanzen erweitert werden müssen.

Bild 6 zeigt das Blockschaltbild eines Dual-Protokoll-Transceivers mit zwei RS-232-Sende- und Empfangskanälen und einem Vollduplex-RS-485-Transceiver. Zu beachten ist die Durchfluss-Anschlussbelegung des Transceivers mit Bus-Anschlüssen auf einer Seite und Logik-Anschlüssen auf der anderen Seite. Dies ermöglicht ein einfaches Routing von Signalleitungen an den lokalen Controller und stellt einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Transceivern dar (wie in Bild 3 dargestellt), deren Anschlüsse das Überkreuzen von Signalleitungen vom Bus zum Controller und umgekehrt erfordern.

Beim unabhängigen Betrieb der Bussysteme kann jeder RS-232-Port Datenraten von bis zu 400 KBit/s unterstützen, ohne das vorgegebene Slew-Rate-Maximum zu überschreiten.

Der RS-485-Abschnitt ermöglicht die Auswahl eines 20-MBit/s-Hochgeschwindigkeitsmodus und eines begrenzten 115-KBit/s-Slew-Rate-Modus über den /SLOW485-Anschluss. Im Highspeed-Modus ist die Treiberausgangsleistung nicht Slew-Rate-begrenzt. Dieser Modus sollte nur für Entfernungen angewendet werden, die kürzer als 30 m sind. Der Hochgeschwindigkeitsmodus erfordert zudem Abschlusswiderstände an beiden Kabelenden, wobei die Widerstandswerte der charakteristischen Kabelimpedanz von entweder 120 Ω für RS-485-Kabel oder 100 Ω für CAT-5-Kabel entsprechen müssen.

Moderne Transceiver müssen in der Lage sein, bei niedriger Versorgungsspannung effizient zu arbeiten. Dies geschieht durch eine optimierte Ladungspumpe. Die Ladungspumpe in Bild 6 erzeugt die bipolaren Stromversorgungen (V+, V–) für die RS-232-Treiber, wofür vier kleine Kondensatoren mit 0,1 μF erforderlich sind. Zwei Kondensatoren werden für die tatsächliche Ladungspumpenfunktion verwendet, die die anfänglichen 3,3 V bei Ucc in +5 V für V+ und –5,3 V für V- umwandeln. Die beiden anderen Kondensatoren werden zum Puffern von V+ und V– verwendet, um während des Schaltvorgangs einen ausreichenden Versorgungsstrom für den RS-232-Treiber zu gewährleisten.

Während der gesamte Transceiver-Versorgungsstrom weniger als 4 mA beträgt, können weitere Stromeinsparungen erzielt werden, indem der Chip in einen Abschaltmodus versetzt wird. Dazu wird der /SHDN-Anschluss auf Low gebracht. In diesem Shut-Down-Modus stoppt der Betrieb der Ladungspumpe und der Reststrom besteht nur aus den in die Logikeingänge fließenden Leckströmen. Somit hängt der Gesamtleckstrom von der Bausteinkonfiguration ab und reicht bis 40 μA hinab.

Wird der Baustein wieder eingeschaltet (/SHDN auf High), benötigt die Ladungspumpe bis zu 25 μs, um sich zu stabilisieren. Während dieser Zeit ist keine RS-232-Kommunikation möglich. Da die Ladungspumpe den RS-485-Transceiver nicht versorgt, beginnt die RS-485-Kommunikation 2 μs nachdem /SHDN auf High gebracht wurde. Diese Zeitspanne ist wesentlich kürzer als bei herkömmlichen Transceivern, die die Ladungspumpe für alle Betriebsarten benötigen.