Στους τομείς του βιομηχανικού ελέγχου και του αυτοματισμού κτιρίων, η επικοινωνία RS-485 προτιμάται ευρέως λόγω της διαφορικής μετάδοσης, της δυνατότητας μεγάλης απόστασης και της εξαιρετικής απόδοσης κατά των παρεμβολών. Ωστόσο, στη πρακτική μηχανική, η "εμπέδηση βρόχου", η οποία επηρεάζει τη σταθερότητα της επικοινωνίας, συχνά παραβλέπεται, οδηγώντας σε περιστασιακή απώλεια πακέτων και διακοπές επικοινωνίας του εξοπλισμού. Η αντιμετώπιση τέτοιων ζητημάτων είναι χρονοβόρα και επίπονη.
Αυτό το άρθρο θα υιοθετήσει μια προσέγγιση "ζωής - κοντά και εύκολη - στην - κατανόηση" για να σας βοηθήσει να αποκτήσετε μια σε βάθος κατανόηση του τι είναι η εμπέδηση βρόχου, γιατί είναι τόσο σημαντική και πώς να την βελτιστοποιήσετε στο σχεδιασμό και την αποσφαλμάτωση, έτσι ώστε η επικοινωνία RS-485 να είναι τόσο ομαλή όσο ένας στρωμένος αυτοκινητόδρομος.
Φανταστείτε το σύστημα σωληνώσεων νερού στο σπίτι σας: η αντλία νερού (οδηγός) σπρώχνει νερό στο σημείο κατανάλωσης νερού (δέκτης) και στη συνέχεια το νερό επιστρέφει στην αντλία νερού μέσω ενός άλλου σωλήνα, σχηματίζοντας έναν κύκλο.
Παράγοντες όπως η διάμετρος του σωλήνα, οι αγκώνες, οι διακλαδώσεις και η πίεση του νερού θα επηρεάσουν την ομαλή ροή του νερού. Η "εμπέδηση βρόχου" σε ένα κύκλωμα είναι παρόμοια: είναι η συνολική εκδήλωση της "αντίστασης" που ασκείται στο σήμα AC σε ολόκληρο τον κλειστό βρόχο όπου το σήμα ξεκινά από το άκρο εκπομπής, μεταδίδεται κατά μήκος του διαφορικού ζεύγους, φτάνει στο άκρο λήψης και στη συνέχεια επιστρέφει στο άκρο εκπομπής.
- Αντίσταση (R): Είναι σαν την τριβική αντίσταση που καθορίζεται από τη διάμετρο του σωλήνα.
- Επαγωγή (L): Είναι παρόμοια με τις βαλβίδες και τους αγκώνες στον σωλήνα, οι οποίοι θα προκαλέσουν ένα φαινόμενο "υστέρησης" όταν αλλάζει το σήμα.
- Χωρητικότητα (C): Μπορεί να συγκριθεί με μια δεξαμενή νερού ή μια δεξαμενή αποθήκευσης νερού, η οποία αποθηκεύει ενέργεια και την απελευθερώνει στιγμιαία, επηρεάζοντας τις διακυμάνσεις.
Στο σύστημα RS-485, η συνολική "εμπέδηση βρόχου" υπό τη συνδυασμένη δράση αυτών των τριών παραγόντων καθορίζει άμεσα την ποιότητα και την αξιοπιστία του σήματος.
Τα καλώδια επικοινωνίας RS-485 χρησιμοποιούν συνήθως θωρακισμένα στριμμένα ζεύγη 120 Ω, όπως η επιλογή ενός σωλήνα νερού με σταθερή εσωτερική διάμετρο για να εξασφαλιστεί η ελάχιστη απώλεια ροής νερού (ηλεκτρικό σήμα).
Ένας αντιστάτης 120 Ω συνδέεται παράλληλα σε κάθε άκρο της γραμμής για να "απορροφήσει" την ενέργεια του σήματος και να αποφύγει την "ηχώ" - όπως η εγκατάσταση μιας βαλβίδας σίγασης στο άκρο του σωλήνα για την αποφυγή υδραυλικού πλήγματος.
Όταν συνδέονται πολλαπλές συσκευές παράλληλα στο δίαυλο, είναι ισοδύναμο με τη σύνδεση πολλαπλών διακλαδώσεων στον αγωγό. Η συνολική εμπέδηση μειώνεται και το σήμα είναι πιο πιθανό να "εκτραπεί", γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στο να μην λάβει ο δέκτης επαρκές επίπεδο.
Κάθε συνδετήρας, κάθε δίοδος TVS ή κάθε συσκευή προστασίας θα προσθέσει μια μικρή ασυνέχεια, όπως η άρθρωση στη διασύνδεση του σωλήνα δεν είναι σφραγισμένη σφιχτά, η οποία θα προκαλέσει τοπική διαρροή ή απόφραξη.
Αν και το RS-485 είναι διαφορική επικοινωνία, το καλώδιο γείωσης θα εξακολουθεί να σχηματίζει έναν βρόχο, ο οποίος είναι "ανεπιθύμητος" για παρεμβολές κοινού - τρόπου. Η διαφορά δυναμικού γείωσης μεταξύ διαφορετικών συσκευών είναι σαν τη διαφορά στάθμης νερού μεταξύ διαφορετικών πύργων νερού σε ένα σύστημα υδροδότησης, η οποία θα προκαλέσει προβλήματα όπως "αντεπιστροφή" ή "διασταυρούμενη ροή".
Η μη αντιστοίχιση εμπέδησης θα κάνει το σήμα να "αναπηδήσει" σαν να χτυπά έναν ανακλαστικό τοίχο, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση κυματομορφής, τον ήχο και την υπέρβαση. Στο τέλος, ο δέκτης δεν μπορεί να διακρίνει εάν είναι "1" ή "0".
Η ασταθής εμπέδηση είναι ισοδύναμη με την αυξημένη διαρροή νερού στον σωλήνα. Κατά τη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις ή σε υψηλές ταχύτητες, η απώλεια είναι πιο σοβαρή και το σήμα μπορεί να "εξαντληθεί" πριν φτάσει στον προορισμό.
Η ασυνεχής εμπέδηση είναι σαν ένα κενό στον σωλήνα, το οποίο είναι πιο πιθανό να "διεισδύσει" από εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, αυξάνοντας το ποσοστό σφάλματος bit.
Ο οδηγός θα εκπέμψει ένα μεγαλύτερο ρεύμα για να αναπληρώσει την εξασθένηση του σήματος, όπως μια αντλία νερού που λειτουργεί με μεγάλη ροή για μεγάλο χρονικό διάστημα θα φθαρεί πιο γρήγορα, οδηγώντας σε παραγωγή θερμότητας, κατανάλωση ενέργειας και κινδύνους ζωής.
Βασική αρχή: Διατηρήστε τη συνέχεια της εμπέδησης, καθιστώντας την όσο το δυνατόν πιο επίπεδη, σταθερή σε πλάτος και με λίγες διακλαδώσεις σαν έναν στρωμένο δρόμο.
Χρησιμοποιήστε θωρακισμένα στριμμένα ζεύγη με ονομαστική τιμή 120 Ω.
Το στρώμα θωράκισης πρέπει να είναι αξιόπιστα γειωμένο: το εάν θα γειωθεί το ένα άκρο ή και τα δύο άκρα θα πρέπει να σταθμιστεί σύμφωνα με το πραγματικό περιβάλλον παρεμβολών.
Το διαφορικό ζεύγος πρέπει να δρομολογείται με ίσο μήκος και ίση απόσταση για να αποφευχθεί η ανομοιόμορφη εμπέδηση που προκαλείται από τη μία πλευρά που είναι πολύ μεγάλη.
Τα διαφορικά ίχνη στο PCB δεν πρέπει να διασχίζουν τη διαίρεση του επιπέδου γείωσης και θα πρέπει να τοποθετούνται στο ίδιο στρώμα ή να χρησιμοποιούν συμμετρικό επίπεδο γείωσης όσο το δυνατόν περισσότερο.
Συνδέστε έναν αντιστάτη τερματισμού 120 Ω παράλληλα σε κάθε άκρο του διαύλου.
Εάν είναι απαραίτητο να καταστείλετε τον θόρυβο κοινού - τρόπου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί "διαχωρισμένος τερματισμός": συνδέστε δύο αντιστάτες 60 Ω σε σειρά και συνδέστε ένα μικρό πυκνωτή παράλληλα στο μέσο σημείο στη γείωση, το οποίο είναι ισοδύναμο με την προσθήκη ενός "σιγαστήρα" στη διαδρομή του σήματος.
Διατηρήστε την έξοδο του δέκτη σε ένα σταθερό γνωστό επίπεδο (συνήθως λογική "1") όταν ο δίαυλος είναι αδρανής.
Ένας αντιστάτης έλξης μπορεί να προστεθεί για να τραβήξει την διαφορική γραμμή Α και ένας αντιστάτης έλξης για να τραβήξει την διαφορική γραμμή Β για να αποφευχθεί η πλεύση του σήματος όταν η γραμμή είναι σπασμένη ή κανείς δεν μεταδίδει.
Δώστε προτεραιότητα στη χρήση της "γραμμικής τοπολογίας" (ευθεία γραμμή) και εγκαταστήστε αντιστάτες τερματισμού μόνο στα φυσικά άκρα.
Αποφύγετε το αστέρι, τον δακτύλιο ή πάρα πολλές μεγάλες διακλαδώσεις, όπως η αποφυγή της εισαγωγής διακλαδώσεων τυχαία στον κεντρικό δρόμο για την αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης.
Όσο πιο γρήγορη (απότομη) είναι η ακμή του σήματος, τόσο πιο σοβαρή είναι η αντανάκλαση. Για μετάδοση μεγάλων αποστάσεων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας πομποδέκτης περιορισμένης κλίσης ή η ταχύτητα μετάδοσης μπορεί να μειωθεί κατάλληλα για να ταιριάζει η "ταχύτητα του οχήματος" με τις "συνθήκες του δρόμου".
Χρησιμοποιήστε έναν διαφορικό καθετήρα για να παρατηρήσετε την κυματομορφή τάσης της γραμμής A/B και ελέγξτε για ήχο, υπέρβαση ή εξασθένηση. Συγκρίνετε την ταχύτητα μετάδοσης με τη θεωρητική κυματομορφή σήματος για να προσδιορίσετε εάν απαιτείται περιορισμός κλίσης ή ρύθμιση ταχύτητας.
Αποσυνδέστε τις διακλαδώσεις τμηματικά, παρατηρήστε τις αλλαγές κυματομορφής και εντοπίστε τη θέση της ασυνέχειας εμπέδησης ή των προβλημάτων κοινού - τρόπου.
Δοκιμάστε να αντικαταστήσετε το καλώδιο, τον αντιστάτη τερματισμού ή να προσθέσετε ένα πνιγμό κοινού - τρόπου στην ύποπτη περιοχή για να δείτε την επίδραση της αλλαγής. Βελτιστοποιήστε τη διάταξη γείωσης για να μειώσετε τις παρεμβολές βρόχου γείωσης που προκαλούνται από τη γείωση πολλαπλών σημείων.
