Nos campos do controle industrial e da automação predial, a comunicação RS-485 é amplamente favorecida devido à sua transmissão diferencial, capacidade de longa distância e excelente desempenho anti-interferência. No entanto, na engenharia prática, a "impedância de loop", que afeta a estabilidade da comunicação, é frequentemente negligenciada, levando à perda ocasional de pacotes e interrupções na comunicação dos equipamentos. A solução de problemas nesses casos é demorada e trabalhosa.
Este artigo adotará uma abordagem "próxima da vida e fácil de entender" para ajudá-lo a obter uma compreensão aprofundada do que é a impedância de loop, por que ela é tão importante e como otimizá-la em design e depuração, para que a comunicação RS-485 possa ser tão suave quanto uma rodovia pavimentada.
Imagine o sistema de encanamento em sua casa: a bomba de água (driver) empurra a água para o ponto de consumo de água (receptor), e então a água retorna à bomba de água através de outro cano, formando um ciclo.
Fatores como o diâmetro do cano, cotovelos, ramificações e pressão da água afetarão o fluxo suave da água. A "impedância de loop" em um circuito é semelhante: é a manifestação abrangente da "resistência" exercida no sinal AC em todo o loop fechado, onde o sinal parte da extremidade transmissora, transmite ao longo do par diferencial, atinge a extremidade receptora e, em seguida, retorna à extremidade transmissora.
- Resistência (R): É como a resistência de atrito determinada pelo diâmetro do cano.
- Indutância (L): É semelhante às válvulas e cotovelos no cano, que causarão um efeito de "histerese" quando o sinal muda.
- Capacitância (C): Pode ser comparada a um tanque de água ou um reservatório de água, que armazena energia e a libera instantaneamente, afetando as flutuações.
No sistema RS-485, a "impedância de loop" total sob a ação combinada desses três fatores determina diretamente a qualidade e a confiabilidade do sinal.
Os cabos de comunicação RS-485 geralmente usam pares trançados blindados de 120 Ω, assim como escolher um cano com um diâmetro interno constante para garantir a perda mínima de fluxo de água (sinal elétrico).
Um resistor de 120 Ω é conectado em paralelo em cada extremidade da linha para "absorver" a energia do sinal e evitar "eco" - assim como instalar uma válvula silenciadora na extremidade do cano para evitar golpe de aríete.
Quando vários dispositivos são conectados em paralelo no barramento, é equivalente a conectar vários ramos ao encanamento. A impedância geral diminui, e o sinal é mais propenso a ser "desviado", o que pode resultar na extremidade receptora não recebendo um nível suficiente.
Cada conector, cada diodo TVS ou cada dispositivo de proteção adicionará um pouco de descontinuidade, assim como a junta na interface do cano não está bem vedada, o que causará vazamento ou bloqueio local.
Embora o RS-485 seja uma comunicação diferencial, o fio terra ainda formará um loop, que é "indesejado" para a interferência de modo comum. A diferença de potencial de terra entre diferentes dispositivos é como a diferença de nível de água entre diferentes torres de água em um sistema de abastecimento de água, o que causará problemas como "refluxo" ou "fluxo cruzado".
A incompatibilidade de impedância fará com que o sinal "volte" como se estivesse batendo em uma parede reflexiva, resultando em distorção da forma de onda, toque e overshoot. No final, o receptor não consegue distinguir se é "1" ou "0".
A impedância instável é equivalente ao aumento do vazamento de água no cano. Ao transmitir em longas distâncias ou em altas velocidades, a perda é mais séria, e o sinal pode ser "esgotado" antes de atingir o destino.
A impedância descontínua é como uma lacuna no cano, que é mais propensa a ser "infiltrada" por interferência eletromagnética externa, aumentando a taxa de erro de bit.
O driver emitirá uma corrente maior para compensar a atenuação do sinal, assim como uma bomba de água funcionando em uma alta taxa de fluxo por um longo tempo se desgastará mais rapidamente, levando à geração de calor, consumo de energia e riscos de vida útil.
Princípio central: Manter a continuidade da impedância, tornando-a tão plana, constante em largura e com poucos ramos quanto uma estrada pavimentada.
Use pares trançados blindados com um valor nominal de 120 Ω.
A camada de blindagem deve ser aterrada de forma confiável: se aterrar uma extremidade ou ambas as extremidades deve ser ponderado de acordo com o ambiente de interferência real.
O par diferencial deve ser roteado com comprimento e espaçamento iguais para evitar impedância desigual causada por um lado ser muito longo.
Traços diferenciais na PCB não devem cruzar a divisão do plano de terra e devem ser colocados na mesma camada ou usar um plano de terra simétrico o máximo possível.
Conecte um resistor de terminação de 120 Ω em paralelo em cada extremidade do barramento.
Se for necessário suprimir o ruído de modo comum, a "terminação dividida" pode ser usada: conecte dois resistores de 60 Ω em série e conecte um pequeno capacitor em paralelo no ponto médio ao terra, o que equivale a adicionar um "silenciador" ao caminho do sinal.
Mantenha a saída do receptor em um nível conhecido estável (geralmente lógica "1") quando o barramento estiver ocioso.
Um resistor pull-up pode ser adicionado para puxar a linha diferencial A e um resistor pull-down para puxar a linha diferencial B para evitar flutuação do sinal quando a linha estiver quebrada ou ninguém estiver transmitindo.
Priorize o uso da "topologia linear" (linha reta) e instale resistores de terminação apenas nas extremidades físicas.
Evite estrela, anel ou muitos ramos longos, assim como evitar inserir ramos aleatoriamente na estrada principal para evitar engarrafamentos.
Quanto mais rápida (mais íngreme) for a borda do sinal, mais séria será a reflexão. Para transmissão de longa distância, um transceptor com limite de inclinação pode ser usado ou a taxa de transmissão pode ser reduzida apropriadamente para corresponder à "velocidade do veículo" com as "condições da estrada".
Use uma sonda diferencial para observar a forma de onda de tensão da linha A/B e verifique se há toque, overshoot ou atenuação. Compare a taxa de transmissão com a forma de onda do sinal teórico para determinar se a limitação de inclinação ou o ajuste da taxa são necessários.
Desconecte as seções dos ramos seção por seção, observe as mudanças na forma de onda e localize a posição da descontinuidade da impedância ou problemas de modo comum.
Tente substituir o cabo, o resistor de terminação ou adicionar um estrangulador de modo comum na área suspeita para ver o efeito da mudança. Otimize o layout do aterramento para reduzir a interferência do loop de terra causada pelo aterramento de vários pontos.
Configure tubos TVS e estranguladores de modo comum razoavelmente para resistir a surtos externos sem absorção excessiva de sinal.
Certifique-se de que os parâmetros parasitas (capacitância, indutância) dos componentes de proteção tenham um impacto controlável na impedância total.
- Apenas uma extremidade do resistor de terminação é instalada, resultando em reflexão séria na outra extremidade.
- A posição do resistor de terminação está incorreta e não está colocada na extremidade física.
- Há muitos ou muitos ramos longos, e o sinal rebate repetidamente nos ramos.
- Escolhendo cegamente cabos não de 120 Ω, que têm uma grande diferença de correspondência com o receptor.
- Ignorando a diferença de potencial de terra entre os dispositivos, resultando em tensão de modo comum excessiva.
- Confiando totalmente no Fail-Safe interno do transceptor sem polarização externa, levando a julgamentos errados frequentes quando a linha está quebrada.
