Интерфейс RS-422

Как устроена линия RS-422

Передатчик (driver, в стандарте — generator) превращает логический сигнал в противофазные напряжения на выходах A и B. Приёмник (receiver) сравнивает напряжения на своих входах A′ и B′ и выдаёт логический уровень. Помеха от соседнего кабеля наводится на оба провода пары почти одинаково — это синфазное напряжение, и дифференциальный приёмник его вычитает. Пара с противофазными токами к тому же слабо излучает.

Главное отличие от RS-485 — направленность. Передатчик RS-422 один и включён постоянно: стандарт не требует от него третьего состояния и не рассчитывает на шину, где передатчики работают по очереди. Отсюда три типовые конфигурации, которые описывает AN-1031:

• Точка — точка — один передатчик и один приёмник. Самая частая схема: связь двух приборов, энкодер — контроллер.
• Одна передача — много приёмников (multidrop) — один передатчик и до 10 приёмников, подключённых цепочкой вдоль кабеля. Так раздают один сигнал нескольким устройствам: синхронизацию, команды, поток данных от датчика.
• Много передатчиков (multipoint) — для RS-422 не предусмотрена. Её можно собрать, но придётся самим решать вопросы разности потенциалов земель, конфликтов передатчиков и нагрузочной способности. TI прямо рекомендует для такой схемы RS-485.

Электрические параметры RS-422

Значения ниже — требования TIA/EIA-422-B в изложении TI (SLLA070, AN-1031).

Две цифры объясняют запас по помехе. Передатчик выдаёт не меньше 2 В, приёмнику достаточно 200 мВ — между ними гарантированные 1,8 В дифференциального запаса (AN-1031). А рабочий диапазон входов ±10 В складывается из синфазной помехи ±7 В и смещения самого передатчика до 3 В.

Приёмники разной нагрузки можно сочетать: вход 8 кОм — это половина нагрузки, и передатчик, рассчитанный на 10 стандартных нагрузок, потянет 20 таких приёмников (AN-1031). Наш расчёт для худшего случая: 10 входов по 4 кОм параллельно дают 400 Ом (этот эквивалент приводит и TI), вместе с терминатором 100 Ом нагрузка передатчика — 80 Ом, и при 2 В на линии он отдаёт 25 мА. Если считать, что 4 кОм — сопротивление каждого входа относительно общего провода, то между проводами пары приёмник даёт около 8 кОм, десять — 800 Ом, а с терминатором — 88,9 Ом.

Длина линии и скорость передачи

Стандарт не ограничивает длину кабеля. Ограничивает физика: длина и скорость работают друг против друга. На рекомендуемом пределе длины не получить максимальной скорости и наоборот — нельзя работать на 1200 м (4000 футов) при 10 Мбит/с (AN-1031).

Классическая кривая «длина — скорость» для RS-422 приведена в AN-1031 (рисунок 3): она получена измерениями на медной витой паре 24 AWG с погонной ёмкостью 16 пФ на фут и параллельным терминатором 100 Ом. Аналогичную кривую для RS-485 — она построена для другого кабеля (22 AWG, 120 Ом) и по критерию джиттера 10 % — TI разбирает по участкам в руководстве SLLA272, а SLLA070 подчёркивает, что характер зависимости для RS-422 и RS-485 один:

• Короткие линии, высокие скорости. Потерями в кабеле можно пренебречь, скорость определяется фронтами передатчика. Для RS-485 TI называет 10 Мбит/с на 12 м (40 футов) и отмечает, что современные микросхемы работают и быстрее; для RS-422 AN-1031 лишь подчёркивает, что 10 Мбит/с и 4000 футов одновременно недостижимы.
• Средний участок. Потери в кабеле растут с частотой, и с увеличением длины скорость приходится снижать почти обратно пропорционально.
• Длинные линии, низкие скорости. Ограничивает уже сопротивление проводов: когда оно сравнивается с сопротивлением терминатора, сигнал на дальнем конце падает вдвое (−6 дБ). Для кабеля 22 AWG это происходит примерно на 1200 м.

Для прикидки TI предлагает правило: скорость в бит/с, умноженная на длину в метрах, не больше 10⁸; пример из SLLA070 — 500 м кабеля и не больше 200 кбит/с. В SLLA272 приведено и более строгое правило L · R < 10⁷, и TI сама оговаривает, что оно консервативнее реальных возможностей современного кабеля.

Таблица — наш расчёт по двум правилам TI, а не норма стандарта. Если реальная линия лежит между столбцами, решает осциллограф на дальнем конце: размах дифференциального сигнала и чистота фронтов в середине бита.

Кабель

Нужна витая пара: она связывает помеху с обоими проводами симметричнее, чем параллельные жилы, и сохраняет синфазный запас приёмника. Де-факто стандартное сечение — 24 AWG, для большинства задач подходит диапазон от 22 до 28 AWG (AN-1031). Волновое сопротивление типичной пары — 100–130 Ом, и под него подбирают терминатор. Для дуплекса нужны две пары и общий провод — удобно брать кабель с несколькими парами и экраном.

Терминатор: где и когда

Волна сигнала, дошедшая до конца линии с несогласованной нагрузкой, отражается и портит следующие биты — подробнее о механизме отражений в разделе про терминатор RS-485. В RS-422 есть упрощение: передатчик один и стоит в начале линии, поэтому волна идёт только в одну сторону. Терминатор нужен один — на дальнем конце кабеля, у последнего приёмника, а не на каждом конце, как в RS-485. Его сопротивление равно волновому сопротивлению кабеля; TI считает достаточной точность согласования ±20 % (SLLA070).

Когда терминатор можно не ставить, SLLA070 формулирует так: если скорость ниже 200 кбит/с или фронт сигнала на приёмном конце кабеля длиннее четырёх задержек распространения по кабелю в одну сторону. Во всех остальных случаях терминатор рекомендуется.

Пример (наш расчёт). Кабель с коэффициентом скорости 0,78 — около 4,3 нс задержки на метр (TI, SLLA272). Трансивер MAX3488 с ограниченной скоростью нарастания даёт на выходе фронт не короче 400 нс (на нагрузке 60 Ом). Четыре задержки укладываются в 400 нс при длине до ~23 м. Берём минимальный фронт передатчика: на приёмном конце кабель его ещё растягивает, так что оценка с запасом. На такой линии с MAX3488 можно обойтись без терминатора и на его предельных 250 кбит/с. Быстрый MAX3490 с фронтом от 3 нс (типично 8 нс) по тому же правилу требует терминатора уже на линии длиннее 20–50 см.

Разновидности терминации

• Параллельный резистор R_T = Z₀ — самый распространённый вариант: допускает наибольшие скорость и длину. Цена — мощность: при 2–3 В на линии резистор 100 Ом рассеивает 40–90 мВт (наш расчёт), а амплитуда сигнала и запас по помехе меньше, чем без него (AN-1031).
• Резистор последовательно с конденсатором (RC, AC-терминатор) — второй вариант, который допускает стандарт, для тех, кому важна потребляемая мощность: в покое через терминатор ток не течёт. В лабораторном примере SLLA070 — 100 Ом и 1000 пФ на скорости 200 кбит/с.

Failsafe: что видит приёмник без сигнала

AN-1031 выделяет три случая, когда на входах приёмника нет нормального сигнала: обрыв (вход разомкнут), терминированная линия без активного передатчика и замыкание проводов пары. Многие приёмники гарантируют «1» только при разомкнутом входе — у AM26C32 и MAX3488 выход в этом случае высокий. На терминированной линии такая защита уже не работает: терминатор стягивает входы друг к другу, разность падает почти до нуля, в зону неопределённости ±200 мВ.

Для RS-422 это реже проблема, чем для RS-485: передатчик включён всегда и держит на линии определённый уровень. Но если передатчик может быть обесточен, а кабель отсоединён, нужен приёмник с полным failsafe (у AM26LV32 заявлены обрыв, замыкание и терминированная линия) или внешнее смещение линии — та же схема резисторов смещения, что разобрана для RS-485. Учтите оговорку AN-1031: приёмники, которые решают задачу сдвигом порога, формально выходят за требование ±200 мВ стандарта.

RS-422, RS-485 и RS-232

Параметры RS-485 в таблице — по статье «RS-485», RS-232 — по статье «RS-232».

Обратите внимание на нагрузку: 10 приёмников RS-422 по 4 кОм — это 400 Ом, 32 нагрузки RS-485 по 12 кОм — 375 Ом, почти то же самое. Но RS-485 рассчитан на два терминатора, поэтому его передатчики сильнее, и при той же выходной мощности передатчик RS-485 обслуживает втрое больше узлов (SLLA070).

Совместимость. Требования RS-485 к передатчикам и приёмникам написаны так, что перекрывают RS-422, поэтому трансиверы RS-485 подходят для большинства линий RS-422 (SLLA070). Это видно по даташитам: MAX3488 и MAX490 нормируют выход и для нагрузки 100 Ом (RS-422, не меньше 2 В), и для 54 Ом (RS-485, не меньше 1,5 В). Обратная замена не работает: передатчик RS-422 не обязан уходить в высокоимпедансное состояние, и на шине RS-485 с несколькими передатчиками ему не место. Ещё одно различие — синфазный диапазон: приёмник RS-422 гарантированно работает до ±7 В, а на шине RS-485 напряжение может доходить до +12 В.

Дуплексная четырёхпроводная схема

RS-422 — линия одного направления. Для обмена в обе стороны прокладывают две пары: по одной прибор A передаёт прибору B, по другой B отвечает A. Обе стороны могут передавать одновременно — это полный дуплекс, тот же UART, что и в RS-232, только каждая линия TxD и RxD стала дифференциальной парой.

Соединение (обозначения выводов как у MAX3488: передатчик — Y и Z, приёмник — A и B):

Правила:

• Каждая пара — от выхода к входу. Выход Y соединяют со входом A, Z — с B; два выхода или два входа между собой не соединяют.
• Полярность внутри пары. Если перепутать провода одной пары, приёмник инвертирует данные: UART в покое увидит непрерывный «0» (break) и будет принимать мусор с ошибками кадра. Ничего не сгорит — достаточно поменять провода местами.
• Терминатор — у приёмника каждой пары: по одному резистору Z₀ между A и B на приёмном конце.
• Общий провод обязателен. Приёмник различает разность A − B, но каждый вход относительно его земли должен оставаться в пределах ±7 В. Без общего провода разность потенциалов земель ничем не ограничена; при большой разности ставят трансиверы с гальванической развязкой.

Обозначения выводов у производителей и на разъёмах приборов не унифицированы: встречаются TX+/TX−, RX+/RX−, T(A)/T(B), A/B, Y/Z. Ориентируйтесь на направление (выход передатчика или вход приёмника) и полярность в покое: UART держит на линии «1», а у трансиверов вроде MAX3488 и AM26C31 логической «1» соответствует неинвертирующий выход выше инвертирующего. Стандартной распиновки разъёма RS-422 нет: у приборов с DE-9 она своя, проверяйте документацию. Распространённые варианты для этого разъёма собраны на странице распиновки DB9.

Подключение к микроконтроллеру

Полнодуплексному трансиверу не нужен сигнал направления DE: передатчик включён постоянно, приёмник — тоже. MAX3488 или MAX3490 подключаются к UART двумя сигнальными линиями — TXD → DI и RO → RXD — плюс питание и земля, и одна такая микросхема заменяет пару «передатчик + приёмник». Выводы восьмиконтактного корпуса MAX3488/MAX3490: 1 — VCC, 2 — RO, 3 — DI, 4 — GND, 5 — Y, 6 — Z, 7 — B, 8 — A. У SN65LBC179 разводка та же: 1 — VCC, 2 — R, 3 — D, 4 — GND, 5 — Y, 6 — Z, 7 — B, 8 — A. Не забудьте конденсатор 100 нФ у вывода питания.

Для микроконтроллера с питанием 3,3 В берите 3,3-вольтовый трансивер (MAX3488, MAX3490, AM26LV31/AM26LV32): выход приёмника 5-вольтовой микросхемы поднимается почти до её питания, и вход МК без допуска 5 В это не выдержит. Как согласовать уровни, если нужен именно 5-вольтовый трансивер, разобрано в статье о логических уровнях.

Микросхемы для RS-422

Четырёхканальные AM26C31 и AM26C32 — классическая пара для линий RS-422 с несколькими сигналами: например, у инкрементного энкодера с выходами A, B и индексной меткой Z каждый канал идёт своей парой. Их 3,3-вольтовые аналоги AM26LV31 и AM26LV32 совместимы по выводам, но строго стандарту не соответствуют: TI пишет, что они «подобны» TIA/EIA-422-B, с уменьшенным размахом выхода и синфазным диапазоном. На короткой линии внутри одного устройства это неважно, на длинной линии между приборами с разными землями — существенно.

Типичные ошибки

• Несколько передатчиков на одной паре. RS-422 этого не допускает: нужен RS-485 с управлением направлением.
• Терминатор не на том конце или на каждом приборе. В RS-422 терминатор один — у последнего приёмника на дальнем конце пары. Лишние резисторы перегружают передатчик.
• Перепутаны провода внутри пары. Данные инвертированы, UART видит непрерывный «0» и мусор с ошибками кадра.
• Перепутаны пары. Выход соединён с выходом: связи нет, передатчики нагружены друг на друга.
• Нет общего провода. На столе работает, на объекте — сбои при выходе синфазного напряжения за ±7 В, а при большой разности потенциалов земель — и повреждённые входы.
• Длина и скорость «взяты из таблицы» одновременно. 1200 м и 10 Мбит/с — пределы с разных концов кривой.
• 3,3-вольтовый приёмник на длинной линии. У AM26LV32 синфазный диапазон −0,3…+5,5 В: при разности потенциалов земель в несколько вольт приём нарушается, хотя «по даташиту это RS-422».
• Звезда вместо цепочки. Приёмники подключают цепочкой вдоль кабеля с короткими отводами (AN-1031): каждый длинный отвод — неподключённый конец линии, от которого отражается сигнал.

Защита от статики и перенапряжений

Стандарт RS-422 не задаёт требований к защите от электростатического разряда. Де-факто минимум — 2 кВ по модели человеческого тела (HBM), но многим системам нужно 10–15 кВ (AN-1031). Варианты те же, что и для других длинных линий: микросхемы с усиленной встроенной защитой, TVS-диоды на каждой линии у разъёма — с напряжением срабатывания выше рабочего диапазона, но ниже предела микросхемы, — и разъёмы со встроенной защитой. Для линий между зданиями добавляют гальваническую развязку. Подробнее о сборках TVS и нормах IEC 61000-4-x — в разделе о защите линии в статье «RS-485».

Когда выбирать RS-422

• Один источник — один или несколько приёмников, связь на десятки и сотни метров: датчик → контроллер, энкодер → привод, раздача синхросигнала.
• Дуплекс точка — точка без управления направлением: два прибора, обмен в обе стороны одновременно, программа UART не меняется вообще.
• Скорость в мегабиты на коротких кабелях внутри шкафа или установки.

Если узлов больше двух и передавать должны несколько из них — нужен RS-485, обычно с протоколом Modbus RTU. AN-1031 так и называет RS-485 развитием RS-422, которое его во многом заменило; а трансиверы RS-485 — разумный выбор и для новой линии RS-422. Сравнение всех интерфейсов — в разделе «Интерфейсы».