Couverture ElectroniqueS n°127

Si le bus RS-485 est réputé pour sa robustesse et sa fiablité, il existe néanmoins un compromis à établir entre le débit de données et la portée des liaisons. Les performances sur de longues distances seront améliorées en optant pour un transceiver offrant une fonction de préaccentuation. D epuis plus de vingt ans, les protocoles de réseaux industriels courants, comme Profibus, exploitent le bus RS-485 pour la transmission de signaux électriques sur un support physique. La norme ANSI/TIA/ EIA-485-A-1998 (communément appelée RS-485) initiale a été approuvée en mars 1998. Elle définit un mode de communication bidirectionnelle en semi-duplex (halfduplex), avec plusieurs drivers et récepteurs dont les signaux sont regroupés en « bus ». Dans cette topologie, chacun des drivers peut quitter le bus. RS-485 est une norme uniquement électrique (couche physique), utilisant une signalisation différentielle pour favoriser l'immunité au bruit, typiquement sur un câble de transmission symétrique comme une paire torsadée non blindée (UTP, Unshielded Twisted Pair). Avec une plage de mode commun de bus allant de - 7 V à + 12 V, la sensibilité d'en-trée du récepteur est de ± 200 mV. Cela signifie que pour reconnaître une « marque » (« 1 » logique) ou un « espace » (« 0 » logique), un récepteur doit voir un niveau de signal supérieur à + 200 mV, ou inférieur à - 200 mV. L'impédance d'entrée maximale du récepteur est de 12 kO, alors que la tension de sortie du driver est au moins de ± 1,5 V et au plus de ± 5 V. Le tableau page 70 liste les principales spécifications de la norme RS-485 originelle. MICHAEL JACKSON ET SEAN LONG (MAXIM INTEGRATED) Michael Jackson a plus de 20 ans d'expérience en tant qu'ingénieur concepteur de circuits intégrés analogiques. Il détient un Master of Science en Génie électrique de l'Université de Dublin. Sean Long est directeur Applications de la Division Industrie et Santé chez Maxim Integrated. Il est titulaire d'un Bachelor of Science en Électricité et Électronique de l'Université d'Aston, à Birmingham. < Le bus RS-485 est populaire dans les systèmes automatisés de contrôle de processus. Des débits plus élevés sur des distances accrues Un bus RS-485 est couramment adopté pour la transmission de signaux entre des équipements évoluant dans un environnement industriel. En effet, sa nature différentielle garantit une bonne immunité au bruit, en présence des forts champs électriques et magnétiques souvent présents dans un atelier. Cependant, bien que la norme initiale ait été définie pour autoriser des débits jusqu'à 10 Mbit/s sur des distances allant jusqu'à 1,2 km, ces deux objectifs ne pouvaient être atteints simultanément. Le débit de données maximum ne peut être obtenu que sur des distances relativement courtes (10 à 15 m). Une règle empirique du compromis entre débit de données et portée stipule que le produit du débit (en bits par seconde) par la distance (en mètres) doit être inférieur à 10 8 . La nécessité pour les protocoles de réseaux industriels de fonctionner à des débits croissants a amené les concepteurs de transceivers RS-485 modernes à pousser la spécification bien au-delà de ses limites. Il n'est ainsi pas rare de voir des circuits récents capables d'opérer à des débits de 30 ou 40 Mbit/s, par exemple. Des valeurs nettement supérieures à ce qui avait été défini à l'origine. Ces débits ne sont toutefois possibles que sur des distances relativement courtes, de l'ordre de quelques mètres. Or, la taille et la complexité des systèmes de contrôle de processus modernes nécessitent que les signaux transitent à des vitesses plus élevées, sur des distances plus longues, soit jusqu'à 100 mètres. Cela n'était pas envisageable avec RS-485. Le transceiver RS-485/ RS-422 MAX22500E (figure 1) a radicalement changé la donne, en améliorant les performances par rapport à RS-485 d'au moins un ordre de grandeur. Comme illustré par les niveaux de tension dif-férentielle d'environ ± 2 V (bien au-delà des ± 200 mV spécifiés par la norme) sur le diagramme de l'œil de la figure 2, le MAX22500E autorise un débit de données sans précédent. Celui-ci est de 100 Mbit/s sur dix mètres de câble Cat5e et, potentiellement, davantage en fonction du type de câble sélectionné. Figure 2.-Diagramme de l'œil avec le MAX22500E (1/3) Ce diagramme de l'œil est obtenu avec le MAX22500E fonctionnant à 100 Mbits/s, dans le cas d'une transmission sur un câble Cat5e de 10 m. L'échelle est de 2,5 ns/division. Bien qu'un tel débit soit impressionnant en soi, la figure 3 montre que non seulement des débits élevés sont possibles sur des distances relativement courtes (de l'ordre de quelques dizaines de mètres), mais aussi que le MAX22500E est capable de transmettre des données à des débits jusqu'à 50 Mbits/s sur 100 mètres de câble. Bien que ce ne soit pas aussi net que sur la figure 2, l'ouverture de l'œil (environ ± 0,7 V) reste toujours supérieure aux niveaux de tension minimale définis par la norme RS-485 originale. Les caractéristiques du MAX22500E En mettant en œuvre une technique appelée « préaccentuation », la performance du transceiver sur des distances plus longues est améliorée, ce qu'indique la figure 4. La vitesse et la distance sont les mêmes que sur la figure 3, mais l'activation de la fonction de préaccentuation augmente les niveaux de tension, de sorte que l'ouverture de l'œil dans le diagramme est beaucoup plus large. La possibilité d'activer la préaccentuation pour la transmission de données avec des portées accrues offre aux concepteurs d'équipements une souplesse supplémentaire pour atteindre le niveau de performance (débit x distance) souhaité, avec l'interface RS-485. Outre l'augmentation du produit (débit x distance) du MAX22500E (10 9 , soit une amélioration d'un facteur 10 par rapport aux transceivers antérieurs), les autres avantages intéressants procurés par un tel circuit sont multiples. Ainsi, une protection intégrée améliore son immunité vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD). Ceci inclut une plage de mode commun de - 15 V à + 15 V, une protection ESD de ± 15 kV (avec le modèle corps humain), des protections ESD de ± 7 kV et de ± 6 kV, respectivement vis-à-vis des décharges dans l'air et au contact selon IEC 61000-4-2, et une protection contre le court-circuit des sorties du driver. Le circuit fonctionne sous une tension d'alimentation comprise entre 3 V et 5,5 V, afin de garantir la compatibilité avec les systèmes existants. Il fonctionne également à partir d'une alimentation logique basse tension pouvant descendre à 1,6 V. Cela facilite l'interfaçage avec certains microcontrôleurs basse-tension, sans faire appel à un translateur de tension. Il existe une variante du MAX22500E sans fonction de préaccentuation, le MAX22501E. Celui-ci est destiné aux applications n'ayant pas les mêmes exigences en termes de portée. Un autre membre de la famille est le MAX22502E, qui permet la transmission de données en duplex intégral (full-duplex), si nécessaire. Outre les systèmes de commande industriels et les réseaux de bus de terrain, ces puces conviennent également à des applications comme le contrôle d'axe, les interfaces d'encodeur ou les bus de fond de panier. n Figure 3.-Diagramme de l'œil avec le MAX22500E (2/3) Ce diagramme de l'œil est obtenu avec le MAX22500E fonctionnant à 50 Mbits/s, dans le cas d'une transmission sur un câble Cat5e de 100 m. L'échelle est de 5 ns/division. Figure 4.-Diagramme de l'œil avec le MAX22500E (3/3) Ce diagramme de l'œil est obtenu avec le MAX22500E fonctionnant à 50 Mbits/s, dans le cas d'une transmission avec préaccentuation des signaux, sur un câble Cat5e de 100 m. L'échelle est de 5 ns/division. GLOSSAIRE Profibus (Process Field Bus, ou bus de terrain pour processus) : norme de communication pour bus de terrain utilisée en automatisation, qui a initialement été promue en 1989 par le BMBF (Ministère allemand de l'éducation et de la recherche), avant d'être utilisée par Siemens. ESD (Electrostatic discharge ou décharge électrostatique) : libération incontrôlée de l'électricité statique stockée. Le plus souvent, une décharge potentiellement dommageable de plusieurs milliers de volts, qui se produit lorsqu'un appareil électronique entre au contact d'un corps chargé électriquement. Préaccentuation : dans certains systèmes de transmission ou d'enregistrement (disques vinyle, radio FM, bande magnétique analogique), le bruit aux fréquences élevées est plus important. Pour compenser cela, le signal audio est « préaccentué » au niveau de l'émetteur, c'est-à-dire filtré à l'aide d'un filtre passe-haut afin d'amplifier le signal correspondant aux fréquences audio élevées. Un filtre passe-bas adapté est utilisé au niveau du récepteur pour retrouver une réponse audio-fréquence globale plate. Le filtre côté récepteur réduit le bruit haute-fréquence généré par le processus de transmission.

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