In industriële netwerkbesturingen, stroomconditionering en point-to-point communicatietoepassingen tussen computers worden gegevens verzonden via de seriële communicatiebus voor verschillende soorten fysieke netwerken, zoals RS232, RS485 en controller area networks. Elk onderling verbonden systeem heeft meestal zijn eigen voeding en de systemen liggen vaak ver uit elkaar, zodat galvanische isolatie vaak nodig is om aardlussen te doorbreken, het systeem te beschermen tegen hoogspanningstransiënten en signaalvervorming te verminderen.
isolatie
Transformatoren, koppelcondensatoren en optocouplers (nu i-couplers genoemd) zijn typische methoden om galvanische isolatie te bieden, waarbij voorkomen wordt dat er stroom tussen twee punten loopt terwijl gegevens ongehinderd doorgelaten worden (afbeelding 1). Isolatie wordt gebruikt om te beschermen tegen hoge spanningen of stromen veroorzaakt door lijnpieken of aardlussen, die kunnen voorkomen in elk systeem met meerdere paden naar aarde. Systeemaardingen die worden gescheiden door lange kabels zullen niet op hetzelfde potentiaal staan, dus zal er aardstroom vloeien tussen de twee systemen. Zonder isolatie kan deze stroom ruis introduceren, de meetkwaliteit verslechteren of zelfs systeemcomponenten vernietigen.
Stromen die in lange kabels in industriële omgevingen worden gekoppeld door het in- en uitschakelen van motoren, elektrostatische ontlading (ESD) of blikseminslag in de buurt kunnen snelle veranderingen in het aardpotentiaal veroorzaken, vaak wel honderden of duizenden volts. Wanneer dit gebeurt, wordt het logische schakelsignaal dat door het externe systeem wordt verwacht, gesuperponeerd op een hoge spanning ten opzichte van de lokale aarde. Zonder isolatie kan deze spanning het signaal verstoren of het systeem beschadigen. Het aarden van alle apparaten die op de bus zijn aangesloten beschermt het systeem tegen deze schadelijke energie en het isoleren van deze apparaten voorkomt aardlussen en piekspanningen.
Om het systeem volledig te isoleren, moeten alle signaallijnen en voedingen geïsoleerd zijn. Geïsoleerde DC-DC converters zorgen voor de vermogensisolatie, terwijl iCoupler digitale isolatoren zorgen voor de signaalisolatie.
koppelingstechnologie
In tegenstelling tot de fotodiodes die gebruikt worden in ED's en optocouplers, zijn coupler isolatoren gebaseerd op chip-schaal transformator magnetische couplers (Figuur 2). Planaire transformatoren gebruiken een CMOS metaallaag samen met een goudlaag boven een passiveerlaag. Een hoge-breuk polyimidelaag onder de goudlaag isoleert de bovenste transformatorspoel van de onderste. Snelle CMOS-schakelingen die verbonden zijn met de bovenste en onderste spoelen vormen de interface tussen elke transformator en zijn externe signalen. Bewerking op waferniveau biedt een goedkope methode om meerdere isolatiekanalen en andere halfgeleiderfuncties in een enkele behuizing te integreren. I-coupler-technologie elimineert de onzekere stroomoverdrachtsratio's, niet-lineaire overdrachtsfuncties en drift (na verloop van tijd en temperatuur) die geassocieerd worden met optocouplers; verlaagt het stroomverbruik met maximaal 90%; vereist geen externe drivers of discrete apparaten.
De schakelingen aan de primaire zijde van de transformator coderen de logische ingangsovergangen in pulsen van 1 ns, die vervolgens door de transformator worden gestuurd. Zoals getoond in figuur 3, detecteert de schakeling aan de secundaire zijde deze en recreëert het ingangssignaal, en de refresh schakeling aan de ingangszijde zorgt ervoor dat de uitgangsstatus overeenkomt met de ingangsstatus, zelfs als er geen ingangsovergang is. Dit is belangrijk voor power-up condities en ingangsgolfvormen bij lage gegevenssnelheden of constante DC ingang.
Omdat het doel van een i-coupler is om de ingang van de uitgang te isoleren, moet de schakeling aan de ene kant van de transformator op een aparte chip zitten ten opzichte van de schakeling aan de andere kant van de transformator. De transformator zelf kan op één van beide chips geplaatst worden, of op een derde chip, zoals de ADuM140x die in figuur 4 getoond wordt. De hele chipset is geassembleerd in een standaard plastic verpakking, vergelijkbaar met de verpakkingen die gebruikt worden voor verschillende halfgeleiderapparaten.
Een nieuwe eigenschap van iCoupler-apparaten is hun vermogen om zend- en ontvangstkanalen te combineren in hetzelfde pakket. De I-koppelingstransformator zelf is bidirectioneel, zodat signalen in beide richtingen kunnen gaan zolang de juiste schakelingen aan beide zijden van de transformator aanwezig zijn. Op deze manier zijn meerkanaals isolatoren voorzien van meerdere zend-/ontvangkanaal configuraties.
seriële communicatiebus
De RS-232 (EIA232) en RS-485 (EIA/TIA485) specificaties definiëren alleen de fysieke laag, waardoor gebruikers of andere standaarden die hun gebruik in de fysieke laag specificeren signaleringsprotocollen kunnen definiëren. Aan de andere kant definieert de CAN bus de fysieke laag en de datalink laag.
RS-232: De RS-232 busstandaard is een van de populairste seriële communicatiebussen en werd oorspronkelijk in 1962 gespecificeerd voor communicatie tussen computers en modems. Zijn eenvoud, flexibiliteit en lange geschiedenis van succesvol gebruik worden nog steeds veel gebruikt als inter-systeem communicatieverbindingen, wat de redenen zijn voor zijn blijvende populariteit. Ontworpen voor punt-tot-punt communicatie, gebruikt het twee speciale ongebalanceerde single-ended lijnen samen met een signaal met massareferentie om full-duplex communicatie te bieden.
Gegevenssnelheden zijn beperkt tot 20 kbps, of 64 kbps in laagspanningsvariaties. De maximale belastingscapaciteit van 2500 pF en de belastingsimpedantie van 3 tot 7 ohm beperken de maximale praktische kabellengte tot ongeveer 16 meter. RS-232 specificeert een uitgangsniveau van de driver van -5 V tot -15 V voor logica 1, een uitgangsniveau van de driver van 5 V tot -15 V voor logica 0 en een ingangsniveau van de ontvanger van -3 V tot -15 V voor logica 1. Logica 3 is 3V. terwijl logica 3 3V is. Logica 0 is 15V. Spanningen tussen -3 V en 3 V zijn ongedefinieerd. De brede spanningszwaai en het onzekerheidsgebied zorgen voor een hoge ongevoeligheid voor ruis en maken het mogelijk om effectieve signaalniveaus te ontvangen over langere kabels.
De RS-232 specificatie definieert de pin-out voor een 25-pins D-type connector met 20 signaallijnen, maar gebruikelijker is een 9-pins connector met 8 signaallijnen, zoals weergegeven in afbeelding 5. Eén draad wordt in elke richting gebruikt voor gegevensoverdracht; de overige draden zijn bestemd voor het communicatieprotocol. Op zijn eenvoudigst heeft RS-232 slechts drie draden nodig: Tx (zendgegevens), Rx (ontvanggegevens) en GND (aarde). Een beschermende aarde voor de veiligheid van de apparatuur is gedefinieerd in de 25-pens connector. Deze draad is meestal verbonden met de voedingsaarde of de chassisaarde en mag niet worden verbonden met de signaalaarde of tussen systemen.
De RS-232 standaard verdeelt apparatuur in twee categorieën: DCE (datacommunicatieapparatuur) en DTE (dataterminalapparatuur). Deze namen zijn een erfenis van de computer en modem erfenis. Nu definiëren deze termen alleen nog maar welke draden worden aangesloten als ingangen en welke draden worden aangesloten als uitgangen.
RS-232 wordt vaak gebruikt om meerdere systemen met elkaar te verbinden, dus isolatie tussen elk systeem en de bus is kritisch. Digitale isolatoren ondersteunen de RS232 standaard niet en kunnen daarom niet worden gebruikt tussen de transceiver en de kabel; in plaats daarvan worden ze gebruikt tussen de transceiver en het lokale systeem. De systeemzijde van de zendontvanger wordt gewoonlijk verbonden met een universele asynchrone ontvanger/transmitter (UART) of processor die gebruik maakt van 0 V tot 3 V of 0 V tot 5 V logische niveaus. Omdat de ingangs- en uitgangscircuitkoppelingsisolatoren van de i elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn, kunnen ze tussen de UART en de transceiver geplaatst worden, wat een gemakkelijke manier is om het systeem van de kabel te isoleren. Om de isolatie compleet te maken wordt een geïsoleerde DC-DC converter gebruikt om de isolator en de transceiver van stroom te voorzien. De combinatie van de ADuM1402 I-coupler digitale isolator, ADM232L RS-232 transceiver en geïsoleerde voeding, zoals weergegeven in afbeelding 6, vermijdt aardlussen en biedt effectieve bescherming tegen piekschade.
RS-485: De RS-485 standaard is gespecificeerd om tot 32 paar drivers en ontvangers aan te sturen. De veelzijdigheid en het vermogen om kabels tot 4000 meter aan te sturen, maken deze standaard populair in een groot aantal toepassingen, vooral in interconnectiesystemen over zeer lange afstanden. RS-485 communicatie wordt gebruikt in zowel Small Computer System Interface (SCSI) als PROFIBUS protocollen.
De beschikbare kabellengten zijn afhankelijk van de vereiste gegevenssnelheid, met combinaties van snelheid en lengte variërend van 200 kbps op 1200 meter tot 12 Mbps op 100 meter. Met gebalanceerde differentiële signalering stuurt de RS-485 driver gegevens over twee uitgangslijnen. De ontvanger bepaalt de logische status door de twee signalen met elkaar te vergelijken. Een spanningsval van meer dan 200 mV zorgt voor geldige logische niveaus. Differentiële versterkers in de driver en ontvanger regelen de stroom tussen de signaallijnen. Het heeft een hogere ongevoeligheid voor ruis in vergelijking met single-ended oplossingen zoals RS 232.
Een vrijgavefunctie maakt het mogelijk om drivers in een hoge impedantietoestand te plaatsen; hierdoor kunnen meerdere drivers een bus delen zonder dat er onenigheid ontstaat. Dit software protocol definieert een bus arbiter die alle drivers, behalve één, altijd inactief houdt en tot 32 drivers toestaat om de lijn te delen. Een half-duplex 2-draads bidirectionele configuratie wordt getoond in Figuur 7. Elk knooppunt bevat een driver en ontvanger, die allemaal dezelfde 2-draads twisted-pair kabel delen. Hoewel dit de installatie vereenvoudigt en de kosten verlaagt, beperkt het de maximale doorvoer. Een 4-draads full-duplex configuratie (met één knooppunt als master en de overige knooppunten als slaves) is complexer maar biedt hogere gegevenssnelheden.
Omdat RS-485 vaak gebruikt wordt om meerdere systemen met elkaar te verbinden, is isolatie tussen elk systeem en de bus essentieel. Net als RS-232 ondersteunen digitale isolatoren de RS-485 standaard niet en kunnen daarom niet worden gebruikt tussen de transceiver en de kabel. In plaats daarvan worden ze gebruikt tussen de transceiver en het lokale systeem. De systeemkant van de transceiver is meestal verbonden met een lokale bus of processor. Aangezien de ingangs- en uitgangscircuits van een i-coupler isolator elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn, is het plaatsen van een i-coupler tussen de processor en de transceiver een gemakkelijke manier om het systeem van de kabel te isoleren. Om de isolatie compleet te maken wordt een geïsoleerde DC-DC converter gebruikt om de isolator en transceiver van stroom te voorzien. De combinatie van de digitale isolator ADuM1301 i coupler en geïsoleerde voeding in figuur 8 elimineert aardlussen en biedt effectieve bescherming tegen piekschade.
CAN-bus: Oorspronkelijk ontwikkeld voor automobieltoepassingen, specificeert de CAN-bus standaard een 2-draads serieel communicatieprotocol dat datasnelheden tot 1 Mbps, maximaal 30 knooppunten en een maximale kabellengte van 40 meter toestaat. Het verstuurt asynchrone gegevens in de vorm van frames die start- en stopbits, arbitratievelden, controlevelden, cyclische redundantiecontrole (CRC) velden en bevestigingsvelden bevatten. Elk knooppunt kan tegelijkertijd luisteren en zenden, dus een van de belangrijkste eigenschappen van het protocol is de bitarbitrage zonder verlies, die ervoor zorgt dat er geen gegevens verloren gaan. Elk knooppunt verzendt een primair Start of Message (SOM) bit aan het begin van elk bericht. Andere knooppunten zien deze activiteit en zullen niet proberen te beginnen met verzenden totdat het bericht compleet is. Vervolgens wordt het 11-bit of 29-bit arbitratieveld verzonden. Dit veld, ook wel identifier genoemd, geeft voorrang aan berichten die op de bus worden verzonden. Het knooppunt met de hoogste prioriteit controleert altijd de bus terwijl knooppunten met lagere prioriteit wachten. Deze arbitrage zonder verlies zorgt ervoor dat berichten met de hoogste prioriteit altijd doorkomen.
Zoals te zien is in Figuur 10, gebruikt de CAN-bus een gebalanceerde 2-draads differentiële interface die typisch werkt bij 3 V of 5V. Non-return-to-zero (NRZ) codering wordt gebruikt om te zorgen voor compacte berichten met een minimaal aantal berichten. overgang en hoge immuniteit voor ruis. De CAN-bus transceiver gebruikt een paar open-drain apparaten om een differentieel signaal te creëren van CANH (V CC - 0,9 V) naar CANL (1,5 V). Wanneer de zender wordt aangestuurd, produceert deze een dominant signaal dat een logisch laag niveau vertegenwoordigt. Wanneer er geen zender wordt aangestuurd, zet de pull-up weerstand de bus op V CC /2, waardoor een recessief signaal wordt geproduceerd dat een logische hoogwaarde vertegenwoordigt. Een back-upregeling zet de transceiver in een spaarstand. De ontvanger met laag vermogen blijft actief in stand-bymodus, controleert veranderingen in de busstatus en geeft de controller een signaal om het lokale knooppunt te activeren wanneer activiteit wordt gedetecteerd.
Net als RS-232 en RS-485 ondersteunen digitale isolatoren de CAN-bus standaard niet en kunnen daarom niet gebruikt worden tussen de transceiver en de kabel. Gebruik in plaats daarvan standaard 3V of 5V logische niveaus tussen de transceiver en de lokale CAN regelaar. Omdat de ingangs- en uitgangscircuits van een i-coupler isolator elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn, is een eenvoudige manier om een systeem te isoleren van kabels het plaatsen van een isolator tussen de processor en de transceiver. Om de isolatie compleet te maken wordt een geïsoleerde DC-DC converter gebruikt om de isolator en transceiver van stroom te voorzien. De combinatie van i-Coupler digitale isolatoren en geïsoleerde voedingen (zie figuur 11) elimineert aardlussen en biedt effectieve bescherming tegen piekschade.
Trefwoorden: DTU transparante gegevensoverdracht