Interfaccia RS-485 in un mondo wireless

Nel mondo della progettazione elettrica, la comunicazione RS-485 offre robustezza e resilienza ai sistemi basati su cavi. Tuttavia, nel mondo odierno dei protocolli seriali ad alta velocità come USB, e con quasi tutto che dispone di una connessione wireless, probabilmente ti starai chiedendo se RS-485 sia ancora un'area di competenza rilevante per i professionisti della progettazione PCB di oggi. Poiché la tecnologia di comunicazione wireless diventa sempre più onnipresente ogni giorno che passa e le frequenze diventano più elevate, è opportuno rivisitare questo tipo di interfaccia per vedere se sarà ancora rilevante nei tuoi progetti.

RS-485 e le sue applicazioni

L'interfaccia RS-485 è un'interfaccia half-duplex a 2 fili che deve essere bilanciata. È possibile utilizzare altri due fili per implementare un'interfaccia full-duplex a 4 fili. Presenta alcune importanti specifiche relative al cavo e alle specifiche dell'interfaccia:

Nonostante RS-485 sia uno standard più vecchio, è ancora utilizzato nei sistemi legacy in quanto è un protocollo robusto. Alcuni esempi includono i piani di fabbrica in cui i sistemi più vecchi potrebbero doversi interfacciare con un sistema più recente tramite un cavo D-sub (come un DB-9 o un dispositivo con numero di pin superiore). I dispositivi più recenti potrebbero includere anche una porta RS-485 per l'interoperabilità con i sistemi meno recenti quando necessario.

RS-485 su un cavo

I segnali bilanciati sono due linee (differenziale) che condividono una coppia distorta con la stessa impedenza su ciascuna linea. In effetti, si tratta di un'interfaccia controllata dall'impedenza, anche se i dispositivi RS-485 non funzionano a velocità di trasmissione dati molto elevate e alcuni presentano degli edge rate ridotti, per cui brevi tracce PCB potrebbero apparire invisibili a queste coppie driver/ricevitore se i connettori e i dispositivi RS-485 sono posizionati abbastanza vicini. Ciò è dovuto all'impedenza di ingresso visualizzata dall'interfaccia in ciascuna sezione del collegamento, che richiede la terminazione in parallelo a ciascuna estremità del cavo.

RS-485 è ancora il re nell'automazione dei processi

Questi segnali richiedono la massima larghezza di banda, per cui possono tollerare cavi più lunghi rispetto a quelli di un'interfaccia più veloce. Un tipo di cavo comune utilizzato per percorsi RS-485 su distanze più brevi è il doppino intrecciato non schermato (UTP) CAT5/5e. Sebbene CAT5 e 5e abbiano un'impedenza di circa 100 Ohm, l'alto livello di segnale di questa interfaccia e l'ampio rumore sui componenti driver/ricevitore possono tollerare una leggera perdita di segnale su questo cavo, purché la corsa sia sufficientemente breve. 

RS-485 su PCB

Tecnicamente, è possibile effettuare il collegamento tra due dispositivi RS-485 sulla stessa scheda, ma non è comune farlo e sarebbe meglio utilizzare un'interfaccia inter-chip standardizzata come I2C o eventualmente SPI, grazie alle velocità di trasmissione dati più elevate disponibili. Queste altre interfacce sono ovunque nei circuiti integrati, che vanno dalla maggior parte dei microcontrollori a una vasta gamma di ASIC.

Un'altra area in cui vengono utilizzati RS-485 e il suo cugino RS-232 è per una connessione UART. Ciò generalmente richiede un traslatore di livello per tradurre il formato di segnalazione RS-485 differenziale a tensione più elevata in una coppia TX e RX a tensione inferiore, utilizzata nelle connessioni UART. La connessione UART può essere fornita dalla scheda come una coppia di cavi volanti, come fili su un connettore header o anche su un altro cavo standard.

Ad esempio, le apparecchiature di rete (switch Ethernet, router, ecc.) distribuite in ambienti commerciali o di data center utilizzeranno uno di questi protocolli (più comunemente RS-232) provenienti da un controller o processore di rete. La connessione UART convertita viene quindi trasmessa tramite una coppia RX/TX a una porta COM su un computer. In questi ambienti, potrebbe essere necessario portare un collegamento a terra con i fili dell'UART in modo che l'interfaccia di ricezione possa eliminare qualsiasi offset di terra. È necessario prestare attenzione, perché alcune di queste interfacce non sono in grado di gestire offset DC molto grandi, nel qual caso potrebbe essere necessario collegare le masse con un condensatore. Le apparecchiature in questo ambiente possono anche richiedere la schermatura dei cavi per sopprimere l'EMI, nonché la protezione transitoria se un sistema viene distribuito in un ambiente industriale.

La tecnologia wireless non eliminerà la comunicazione cablata

Negli ultimi anni, la comunicazione wireless è diventata lo standard per la maggior parte dei dispositivi, da semplici sistemi di automazione domestica a complessi sistemi integrati. Tecnologie wireless come Bluetooth, Wi-Fi e Zigbee attualmente hanno una presenza enorme in alcuni settori e hanno sostituito molte soluzioni cablate.

La comunicazione wireless risolve molti dei problemi generati alle installazioni basate su cavi. Il costo delle materie prime è in aumento, e questo fatto rende il filo di rame una soluzione costosa che gli utenti finali potrebbero voler evitare. I fattori ambientali sono un altro motivo per cui il wireless potrebbe essere preferito in determinate impostazioni. Ad esempio, nelle installazioni all'aperto, i cavi esposti sono soggetti a schiacciamenti, temperature estreme, umidità, polvere e altri fattori. I fulmini sono un'altra causa delle rotture dei cavi, con conseguenti ingenti costi di riparazione e gravi inconvenienti. I costosi dispositivi di protezione da sovratensioni vengono spesso installati per prolungare la durata dei dispositivi in luoghi soggetti a fulmini. In alternativa, i ripetitori wireless hanno una durata di vita molto più lunga, poiché non hanno cavi dati che possono essere esposti direttamente ai fulmini.

Perché RS-485 e le relative interfacce sopravviveranno

È passato quasi un decennio da quando i computer hanno smesso di utilizzare le porte RS-232 e RS-485 sulle schede madri, quindi il protocollo è diventato invisibile nello spazio dei consumatori. Invece, queste interfacce sono state soppiantate dall'USB per la comunicazione tra dispositivi. Questa interfaccia offre molti più vantaggi rispetto alle vecchie interfacce RS-485 e RS-232, principalmente velocità di trasmissione dati e alimentazione più elevate. Quando i cavi non sono presenti, la comunicazione viene effettuata tramite Bluetooth. Oggi sono disponibili numerosi microcontrollori che includono queste interfacce, inclusi SoC / MCU Bluetooth, che integrano l'intero front-end RF nel chip.

Sebbene i dispositivi consumer non dipendano più da RS-485 e dai suoi protocolli cugini, è ancora una scelta diffusa in alcuni settori e applicazioni. Ho evidenziato l'esempio dei data center sopra; ci sono altre applicazioni in cui l'interfaccia RS-485 viene ancora utilizzata in qualche forma perché i chipset per queste applicazioni continuano a includere l'interfaccia e i fornitori di semiconduttori non hanno designato questi componenti NRND o EOL. Una volta che ciò accadrà, potresti iniziare a vedere un ulteriore declino di RS-485.

Potrebbe essere necessario acquistare più ripetitori per la rete wireless anziché lunghi cavi.

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