Obecné vlastnosti komunikačních prostředků

V tomto článku naleznete přehled a vysvětlení pojmů a situací, se kterými se můžete setkat při sériové komunikaci. Nenaleznete-li odpověď na svůj problém v následujících odstavcích, obraťte se s důvěrou na naši technickou podporu.

Standardy komunikačních linek

Přestože následující standardy byly různými organizacemi (EIA, TIA) od svého vzniku několikrát přejmenovány, jsou známy předeším pod svým původním označením "RS" (recommended standard). Právě toto oznažení naleznete i v materiálech firmy TEDIA.

Rozhraní RS-232 (EIA-232, TIA/EIA-232)

Rozhraní standardu RS-232 je určeno k přenosu dat mezi dvěma zařízeními na vzdálenost desítek metrů s komunikační rychlostí maximálně desítek kBd. K přenosu je využit samostatný vodič pro každý ze signálů se společným zemním vodičem, pracovní úrovně dosahují 3÷15V v případě L, resp. -3÷15V v případě H. Dva základní signály TXD a RXD jsou využity k přenosu dat, ostatní jsou využívány k přenosu pomocných informací - připravenost k příjmu, resp. vysílání dat apod.

Z pohledu toku dat je nejvýznamnější vlastností plně duplexní architektura; data mohou být přenášena ve stejný okamžik oběma směry a rozhraní proto nevyžaduje aktivaci/deaktivaci linkových budičů.

Rozhraní RS-485 (EIA-485, TIA/EIA-485)

Rozhraní standardu RS-485 je předurčeno k přenosu dat mezi více jednotkami v architektuře se síťovou topologií, ale lze jej však pochopitelně využít i k přenosům typu "bod-bod". Na rozdíl od RS-232 není využito napěťových signálů vztažených proti společnému potenciálu GND, nýbrž vždy dvojicí v protifázi generovaných signálů zpracovávaných přijímači s diferenciálními vstupy. Dvojice signálů je označována obvykle jako TXD/RXD+ (popř. B) a TXD/RXD- (popř. A).

Rozhraní RS-485 umožňuje přenos dat až do vzdálenosti 1200m a na kratší vzdálenost podporuje přenosovou rychlost až 10MBd. Na jeden segment sítě může být připojeno standardně až 32 zařízení.

Z pohledu realizace signálové trasy je rozhraní RS-485 velmi úsporné, neboť pro komunikaci využívá jediný kroucený pár vodičů se jmenovitou impedancí 120Ω (pro vzdálenosti do deseti metrů lze použit i nestíněný typ).

Poznámka: Zejména při použití izolovaných rozhraní RS-485 lze rozhodně doporučit propojení svorek GND na obou stranách komunikačních rozhraní (např. připojením stínění použitého kabelu, viz obrázek). Propojení GND je striktně vyžadováno i řadou protokolů (např. Profibus).

Jelikož tzv. dvouvodičové zapojení RS-485 umožňuje pouze poloduplexní komunikaci, musí být všechna zařízení vybavena obousměrnými budiči linek s třístavovými výstupy a zařízení musí generovat pomocný signál pro jejich řízení. Ze softwarového hlediska pak zařízení musí mít implementován komunikační protokol zajišťující přidělování sběrnice jednotlivým účastníkům v časovém multiplexu.

Právě ve způsobu přidělování sběrnice lze hledat odlišnost dvou základních kategorií protokolů, tzn. jednoduché struktury "master-slave" (jeden účastník vysílá na linku dotazy a ostatní účastníci na ně reagují, avšak sami vysílání nezahájí) a komplikovanější "multimaster".

Impedanční přizpůsobení RS-485

K potlačení nežádoucích odrazů na komunikační lince, které mohou způsobovat chyby v přenosu, slouží zakončovací impedance. Typická hodnota zakončovací impedance pro RS-485 je 120Ω (odpovídá jmenovité impedanci vedení). Pokud je vedení realizováno na krátkou vzdálenost (jednotky až desítky metrů), není použití zakončovacích impedancí nezbytné.

Pro zajištění správných napěťových úrovni na lince při odpojení všech budičů (popř. pokud žádný z nich nevysílá) je vhodné použít aktivní zakončovací impedance s tzv. bias rezistory (viz obrázek níže).

Aktivní zakončovací impedance jsou součástí komunikačních karet a vybraných konvertorů TEDIA; impedance jsou ve všech případech vyvedeny na samostatné piny konektorů nebo svorek.

Rozhraní RS-422 (EIA-422, TIA/EIA-422)

Rozhraní standardu RS-422 zůstává ze zjednodušeného pohledu "na půl cesty" mezi RS-232 a RS-485. Jako přenosové médium je používána zpravidla dvojice párů vodičů shodných s RS-485 zajišťující přenos dat oběma směry. Vodiče jsou pak označovány TXD+ (B), TXD- (A), RXD+ (B) a RXD- (A). V případě topologie "bod-bod" RS-422 přejímá ze standardu RS-232 plně duplexní přenos dat bez nutnosti doplňkového řízení budičů linky, ze standardu RS-485 pak shodné interfaceové obvody, přenosovou rychlost a vzdálenosti. Na jeden vysílač může být připojeno až 10 přijímačů.

Časté uplatnění nachází rozhraní RS-422 právě v bezproblémové náhradě komunikační trasy RS-232 na delší vzdálenosti; pokud ve stávajícím zapojení RS-232 zařízení využívají k přenosu dat pouze signály TXD, RXD a GND, pak jsou zcela určitě schopna komunikovat i rozhraním RS-422. Některé typy konvertorů umožňují přenos dat pomocí čtveřice párů vodičů; jako doplňkové signály datových TXD a RXD jsou zpravidla přenášeny RTS a CTS.

Stejně jako u rozhraní RS-485 je třeba při delších komunikačních vzdálenostech uvažovat o impedančním přizpůsobení. Při použití RS-422 ve standardním režimu nejsou impedance na straně vysílačů nezbytné (viz obr.). Při použití v režimu multimaster je impedanční přizpůsobení totožné jako u linky RS-485.

Poznámka: Pro propojení GND interfaceových obvodů platí stejné podmínky uvedené v popisu rozhraní RS-485.

Odolnost komunikačních linek proti přepětí

Základní příčinou tranzientních (tzn. impulzních) přepětí jsou atmosférické výboje; přepětí však mohou vznikat i při provozu napájecích a datových sítí. Například spínací jevy v silové síti nízkého napětí nezřídka vedou ke vzniku přepětí.
Tato přepětí vstupují do zařízení různými cestami; galvanickou, induktivní nebo kapacitní vazbou. Abychom zajistili, že tranzientní přepětí neohrozí systémy přenosu dat, musíme učinit řadu opatření chránících tato zařízení před jejich účinky. Základním podkladem pro posouzení rizik z atmosférických výbojů je soubor norem ČSN EN 62305-1 až ČSN EN 62305-4 (Ochrana před bleskem).

V běžném provozu by vždy mělo být uvažováno s trojstupňovou ochranou. První stupeň je zpravidla tvořen svodičem bleskových proudů umístěným na vstupu budovy a je nezbytný v případě dlouhých venkovních vedení. Vhodné prvky lze vybrat např. ze sortimentu DEHN + SÖHNE.

Druhý stupeň tvoří ochrana umístěná v blízkosti chráněného objektu (např. na vstupu rozvaděče); z produkce TEDIA lze doporučit kombinovanou ochranu na bázi bleskojistek a transilů - modul MU-3485.

Třetí stupeň ochrany proti přepětí je tvořen velmi rychlými supressorovými diodami - transily - umístěnými přímo v chráněném objektu. Těmito prvky jsou standardně osazeny všechny výrobky TEDIA s rozhraním RS-485 nebo RS-422.

Na závěr je vhodné doplnit, že za přepěťovou ochranu nelze považovat izolaci interfaceových obvodů linky od ostatních obvodů zařízení. Optická izolace ve své podstatě pouze znemožňuje vznik tzv. zemních smyček a tedy i vyrovnávacích proudů. V případě indukování přepěťového napětí nezabrání poškození obvodů linky, pozitivně se však podílí na ochraně obvodů za touto izolační bariérou.

Vybrané pojmy

Konvertor, převodník (Converter)

Konvertory (popř. identické označení převodníky) jsou zařízení pro převod komunikačního rozhraní jednoho standardu na rozhraní standardu jiného. Zpravidla zajišťují vzájemnou izolaci komunikačních rozhraní a alespoň jednoho z rozhraní od napájecího zdroje. Komunikační rozhraní mohou být vybavena doplňkovými přepěťovými ochranami.
Všechny výrobky TEDIA jsou koncipovány vždy jako izolované, průmyslové typy jsou navíc vybaveny trojcestnou izolací (obě rozhraní jsou izolována od napájecího zdroje i vzájemně).

Opakovač (Repeater)

Repeatery jsou konvertory vybavené dvěma rozhraními stejného typu. Jsou určeny zejména pro izolaci jednotlivých segmentů vedení, pro zvětšení přenosové vzdálenosti a v případě sítě RS-485 i zvýšení počtu jednotek.
Všechny výrobky TEDIA jsou vybaveny trojcestnou izolací (obě rozhraní jsou izolována od napájecího zdroje i vzájemně).

Bleskojistka (Surge Arrester)

Bleskojistky jsou velmi účinné ochranné prvky vhodné pro realizaci druhého stupně přepěťové ochrany. Vzhledem k pracovním napětím desítek až stovek volt nemohou sloužit jako jediná přepěťová ochrana linky, avšak snižují indukované přepětí na tak nízkou úroveň, kterou již mohou "ochránit" rychlé přepěťové diody - transily.

Další možností využití bleskojistek je ochrana izolační bariéry proti průrazu přepětím indukovaným do vedení; bleskojistka tedy nechrání signály rozhraní, nýbrž je zapojena mezi signálovou GND, resp. stínění použitého kabelu a uzemnění. V případě izolovaných komunikačních karet TEDIA je tedy bleskojistka zapojena mezi stínění kabelu a skříň počítače (rozšíření ESD-X1 u jednoportových, resp. ESD-X2 u dvouportových, resp. ESD-X4 u čtyřportových karet).

Transil (Transient Voltage Suppression diode, TVS diode)

Funkce transilu se principielně blíží funkci Zenerovy diody, transil je však přímo určený na potlačování napěťových špiček.

Tento typ ochrany výrazně zvyšuje odolnost zařízení proti poškození napětím indukovaným do přívodních vodičů, rozhodně je však nelze považovat za jedinou a dostatečnou ochranu, ale spíše za jeden ze stupňů ochrany. Jako vyhovující se jeví v aplikacích v rámci jedné budovy v běžném prostředí. Pokud však aplikace obsahuje i venkovní vedení nebo signálové vodiče jsou umístěny v prostředí s vysokou úrovní elektromagnetického rušení, je nezbytné používat dalších stupně ochran (bleskojistkové moduly, komplexní přepěťové ochrany sdělovacích vedení apod.).

Součástí každé komunikační karty, konvertoru nebo repeateru TEDIA s rozhraním RS-422/485 jsou integrované přepěťové ochrany na bázi supressorů - transilů.

Optická izolace (Optical isolation)

Optická izolace se realizuje součástkou optron (též označováno jako optočlen, anglicky pak opto-isolator, optocoupler, nebo photocoupler).

Hlavní funkcí optické izolace komunikační linky je zabránění vzniku tzv. zemních smyček a tedy i vyrovnávacích proudů.

Optická izolace budičů linek ve své podstatě nezajišťuje žádnou odolnost interfaceových obvodů linky proti indukovanému přepětí, pozitivně se však podílí na ochraně obvodů za touto izolační bariérou.
Pro ochranu izolační bariéry proti indukovanému přepětí lze v některých případech použít bleskojistky.