O co se jedná
Více než dvě desetiletí bývaly, a také stále jsou, transceivery pro RS-232 nedílnou součástí celé řady elektronických systémů. V této aplikační poznámce se proto historií těchto obvodů lehce probereme, zmíníme vychytávky, kterých již bylo za ta léta dosaženo a rovněž přidáme i některé praktické postřehy. Opírat se přitom budeme hned o několik firemních struktur, které necháme vystoupit na pozici „průmyslových tahounů“.
Něco jako předmluva
Během posledních pětadvaceti let doznaly transceivery pro RS-232 hned několika změn, kterými reagovaly na měnící se trendy ve vývoji. Mohli jsme se tak setkat s
vestavěnými nábojovými pumpami,- ochranami před vysokými špičkami (ESD),
- automatickým shutdownem (AutoShutdown™),
- jednoduchým napájením z 3.3 V zdroje,
- rozšířeným kmitočtovým rozsahem,
- převodníky mezi logickými úrovněmi (Level Translator) a také
- výraznou miniaturizací pouzder.
Zmíněné vychytávky se pak s radostí podepsaly pod vylepšenými vlastnostmi a funkcemi, jednodušším rozhraním RS-232, menším počtem nezbytných součástek a také menšími celkovými rozměry. Maxim, jakožto jeden z předních inovátorů v otázce transceiverů pro RS-232, se tak může pochlubit nabídkou cca
- 158 součástek pro RS-232,
které svou přidanou hodnotou osloví široký rozsah nejrůznějších aplikací a tudíž i těch, kteří jim nakonec „vdechnou život“. Naše aplikační poznámka předkládá klíčové vlastnosti transceiverů pro RS-232. Na jejich postupném vývoji tak můžeme v chronologickém pořadí rovněž vysledovat měnící se požadavky na sériovou komunikaci.
Jak to všechno začalo
Standard, označovaný jako EIA/TIA-232-E spatřil světlo světa v roce 1962, přičemž byl od té doby již čtyřikrát aktualizován pro ještě lepší splnění požadavků, kladených na stále rostoucí potřeby sériové komunikace. Oficiálně uváděným jménem standardu EIA/TIA-232-E je
- Interface Between Data Terminal Equipment (DTE) and Data Circuit-Termination Equipment (CTE) Employing Serial Binary Data Interchange.
My si to však zjednodušíme, protože budeme tvrdit, že se jedná o sériovou datovou komunikaci mezi hlavním (DTE, Host System) a periferním (CTE, Peripheral System) systémem – viz také obr. 1.
Obr. 1: Příklad DTE – DCE systému se dvěma PC, založeného na transceiveru MAX214
Něco málo z hodin dějepisu
V historickém kontextu se sériová komunikace RS-232 využívala na pozici rozhraní mezi počítači a jeho perifériemi, tj. např. modemy, tiskárnami, klávesnicemi, joysticky nebo polohovacími zařízeními (myš). V současné době se v této oblasti již zpravidla používají jiné komunikační protokoly, např. rozhraní USB (Universal Serial Bus). Pole působnosti pro RS-232 se tak přesunulo směrem k
- GPS,
- POS,
- glukometrům,
- snímačům čárového kódu,
- dopravní telematice,
- set – top boxům,
- herním zařízením
a spoustě dalších aplikací, které budou vyžadovat levnou a také nízkorychlostní sériovou komunikaci (do 1 Mbps).
Integrované obvody pro RS-232 a jejich postupný vývoj
Třebaže současná podoba transceiverů pro RS-232 doznala výrazného pokroku, vývojáři mohou stále pracovat s původním protokolem. Novinky v této oblasti shrnujeme na obr. 2. Podrobněji se jim pak v chronologickém pořadí věnujeme níže.
Obr. 2: Vývoj transceiverů pro RS-232
Vestavěné nábojové pumpy
„Prapůvodní“ integrované obvody, určené pro RS-232, ke své činnosti vyžadovaly dvě napájecí hladiny +15 V a -15 V, čímž zajistily náležité, kladné i záporné rozkmity vysílací části (viz také obr. 3, kanál č. 1). Pokud bylo k dispozici pouze jednoduché napájení, nezbývalo než sáhnout po externích nábojových pumpách, kterými se zdvojovalo a také invertovalo. Koncem 80tých let minulého století však v Maximu nábojové pumpy zapracovali přímo do transceiveru a vytvořili tak první integrovaný obvod pro RS-232, pracující z jednoduchého napájení – MAX232. Tato raná generace transceiverů již tedy napájecí napětí zdvojovala a také invertovala.
Obr. 3: Ukázka signálových rozkmitů sériové linky RS-232 v návaznosti na vysílací část (kanál č. 1) a přijímací část (kanál č. 2)
Následující generace, jako např. MAX3232, již pracovaly s úrovněmi ±5 V @ 5 kΩ (EIA-232). Díky novému přístupu v otázce nízkoúbytkových koncových stupňů proto mohl Maxim představit transceivery pro RS-232 s interními nábojovými pumpami, které zajistily výstupních, stabilizovaných ±5.5 V. Vlastně se tím zabily dvě mouchy jednou ranou: Vysílací strana vyhověla úrovňové kompatibilitě s RS-232 a zároveň neutrpěla ani velikost odebíraného proudu z napájecího zdroje.
K čemu taková integrovaná nábojová pumpa vlastně je? Tak předně, první nábojová pumpa slouží jako zdvojovač napětí, tj. vyrábí z 5 V napájení +10 V, pochopitelně mínus nějaké ztráty. V pořadí druhá nábojová pumpa pak vystupuje jako invertor, vyrábějící -10 V z +10 V, přičemž i zde platí, že 100procentní účinnosti dosahuje pouze topná spirála či šíření poplašné zprávy (kurzíva od nás). Zmíněným postupem jsme právě stvořili souměrný napájecí zdroj ±10 V.
Vysoká míra ochrany před ESD
Všechny součástky, určené pro RS-232, vykazují na všech svých pinech ochranu před elektrostatickými výboji (Electro Static Discharge, ESD), typicky ±2 kV. Důvodem jsou možná rizika, vznikající během manipulace s obvodem či samotné montáže. V okamžiku, kdy nejrůznější příruční či přenosná zařízení zapracovala sériovou linku RS-232, ale vyvstala potřeba ještě účinnější ochrany před ESD. V praxi pak hovoříme o tzv. modelu lidského těla, tj.
- Human Body Model (HBM),
pro který průmyslové standardy požadují více než ±2 kV. Transceivery pro sériovou linku RS-232 od Maximu proto výstupy vysílací a také vstupy přijímací části (piny) posílily o ±15 kV ESD ochranu dle definice HBM. Některé součástky, jako např. MAX3238E šly ještě dále a nabízí ±15 kV ESD ochranu jak na sběrnici RS-232 tak i souvisejících CMOSových pinech.
Další výhoda, kterou podpůrné obvody pro sériové rozhraní RS-232 s ±15 kV ochranou proti ESD nabízí, spočívá ve stejném rozmístění vývodů s totožnými funkcemi, přesně jak je tomu u standardních polovodičových struktur pro RS-232. Můžeme tak jednoduše provést náhradu, která si nebude žádat změnu motivu plošného spoje ani samotného rozmístění součástek. Tak třeba MAX3232 a MAX3232E vykazují stejné rozvržení vývodů, způsob zapouzdření a také dostupné funkce.
Pokračování příště.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Maxim: http://www.maxim-ic.com/
- Distributor pro ČR: http://www.mespraha.cz/
- Podrobný popis RS-232 aneb soubor všech potřebných informací, návody, tipy a triky, katalogové listy aj. (hw.cz): http://hw.cz/rs-232
