Jste zde

RS-232 aneb jak šel čas – 3. část

Jan Robenek, 22. Červenec 2010 - 7:16

Třetím dílem završujeme přehledové zamyšlení, vycházející z původního dokumentu Maximu s názvem The evolution of the RS-232 transceiver.

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“.

AutoShutdown

Spousta obvodů, určených pro RS-232, bude v provozu pouze krátkou dobu. Tak například takové glukometry nemusí za normálních okolností své porty RS-232 používat vůbec. Je proto logické, že v případě, kdy nemáme na linku RS-232 nic připojeno, uvedeme příslušnou součástku do nízkopříkonového režimu. K těmto účelům s výhodou využíváme tzv. AutoShutdown. Kdykoli tedy bude detekována nečinnost rozhraní RS-232, dojde k přechodu daného obvodu do nízkopříkonového režimu. Celou krásu dále umocňuje skutečnost, že k této akci nepotřebujeme žádný zásah z procesoru. Jinými slovy, k tomu, abychom zbytečně nemrhali výkonem, nemusíme vyvíjet speciální software.

V případě AutoShutdownu monitorujeme přijímací stranu linky RS-232. Bude – li připojeno další zařízení, přijímač „uvidí“ platné signály s úrovněmi buď pod -3 V nebo také nad +3 V. Pokud však nebude připojeno nic, budeme hovořit o potenciálu země. Detekujeme – li tedy na VŠECH linkách přijímače po dobu minimálně 30 µs potenciály mezi -0.3 V a +0.3 V, dá se předpokládat, že není k dispozici žádný právoplatný vysílač a obvod tudíž zcela automaticky uvede sám sebe do režimu s nízkou spotřebou (viz také obr. 8 a obr. 10). K tomu, aby náš úsporný transceiver zase automaticky opustil nízkopříkonový režim, postačí JAKÝKOLI vstup přijímače s úrovní překračující +2.7 V, resp. klesající pod -2.7 V (viz také obr. 9 a obr. 10).

Obr. 8: K aktivaci AutoShutdownu dochází nejdříve po 30 µs, ve kterých rozkmit všech vstupních linek přijímací strany zůstává mezi -0.3 V a +0.3 V

Obr. 9: K ukončení režimu AutoShutdown bude stačit, aby kterýkoli vstup přijímače překročil ±2.7 V

Obr. 10: Příslušné úrovně pro aktivaci a deaktivaci režimu AutoShutdown

Vysílací části, včetně příslušných nábojových pump (měničů), jsou během nízkopříkonového režimu vypnuty. Přijímací struktury však řízeně odebírají velmi malé množství proudu a proto je také můžeme považovat za aktivní. Ve výsledku ale i tak dochází ke snížení klidového proudu

z 0.3 mA na 1 µA (typ.), resp.
z 1 mA na 10 µA (max.);

viz integrovaný obvod MAX3221. Musíme však zdůraznit, že po obdržení platné úrovně, detekované na přijímací straně, trvá ještě stovky µs, než lze vysílač prohlásit za plně aktivní. Jako ilustrační příklad struktur, vykazujících vlastnosti AutoShutdownu, vedle již zmíněného obvodu MAX3221 dále uvádíme MAX3243.

AutoShutdown Plus™

Podobně jako v případě AutoShutdownu, budeme i zde hovořit o výkonových úsporách, pramenících z uspání součástky, pokaždé, kdy není zrovna používána. Odlišnost módu AutoShutdown Plus však spočívá v odpojení, které se samo spustí, nebude – li 30 vteřin detekována žádná signálová aktivita. Smyslem se tak stává nasazení v aplikacích, kde transceiver sice bude připojen na port RS-232, ale zrovna nevysílá žádná data. Za zmínku rovněž stojí následující dva body:

Aktivitu sledujeme jak na přijímací tak i na vysílací straně
Pokud chceme vyrobit funkci, poplatnou přechozímu režimu AutoShutdown, propojíme linku Invalid s oběma vývody ForceOn i ForceOff, přesně tak, jak to vidíme na obr. 11.

Obr. 11: Vzájemným propojením vstupů ForceOn a ForceOff s výstupy Invalid docílíme u struktur s přívlastkem AutoShutdown Plus stejné funkce jako v případě obvodů s „pouhým“ AutoShutdownem

S přístupem, definovaným jako AutoShutdown Plus, se můžeme setkat u integrovaných obvodů MAX3224E a MAX3245E, určených pro sériovou linku RS-232.

MegaBaud™

Obvody RS-232 s označením MegaBaud nacházejí ideální pole působnosti v aplikacích, ve kterých budeme spíše než nižší úrovně vyzařování (emise) požadovat větší šířku pásma. MegaBaud přitom představuje firemní označení Maximu pro

přenosové rychlosti 1 Mbps a více,

kompatibilní s logickými úrovněmi sériové linky RS-232. Sluší se však zdůraznit, že záměrně používáme výraz „kompatibilní“ a ne „vyhovující“, protože funkce MegaBaud ve skutečnosti „znesvěcují“ specifikace, kladené na limitní rychlosti přeběhu rozhraní RS-232.

V běžných zapojeních s RS-232 nabízí definovaná rychlost přeběhu výhody, spočívající v minimalizaci vyzařovaných emisí včetně odrazů, které však zároveň omezují maximální možnou přenosovou rychlost. V případě vysílací části pak hovoříme o rychlosti přeběhu, která nesmí překročit

30 V/µs.

Přesně k takové limitní specifikaci vedl požadavek na jednoduché fyzické rozhraní RS-232. V opačném případě bychom jinak museli věnovat mnohem větší pozornost takovým věcem, jako jsou např. vyzařované emise včetně dalších nepříjemných vlivů, působících na přenosové trase. Ačkoli tedy zmíněné omezení rychlosti přeběhu na jedné straně zjednodušuje samotné fyzické rozhraní, na straně druhé prakticky omezuje maximální datový tok, kterého bychom jinak mohli docela dobře dosahovat.

Maxim vyrábí součástky, které provoz v MegaBaudovém rytmu zvládají a ještě přitom splňují požadavky, kladené na RS-232, jen kromě právě zmiňované, limitní rychlosti přeběhu. Aby však bylo i zde zajištěno jednoduché fyzické rozhraní, budou mít tyto prvky rovněž definovaný strop pro ještě přípustné rychlosti přeběhu, jen bude o něco výše, než na co jsme zvyklí z definice pro linku RS-232, tj.

např. 150 V/µs

v případě MAX3237E.

A co to všechno pro nás vlastně znamená? Obvody MegaBaud nevyhovují požadavkům RS-232 zcela bez výhrad. Jestliže tedy zapojíme součástku typu MegaBaud k běžnému portu RS-232, nelze zaručit náležité fungování a to dokonce ani na tak nízkých datových tocích, jako je 20 kbps. Ve skutečnosti však s nižšími rychlostmi problémy nebývají, což se ovšem nedá tvrdit o 1 Mbps. Abychom tedy mohli zabezpečit rychlosti 1 Mbps, musíme oba konce kabelu zakončit strukturami, které termínu MegaBaud vyhovují.

A jednu zajímavost na závěr: Některé integrované obvody, vyhovující požadavkům na MegaBaudové relace, mají k dispozici pin, označený jako MBAUD. Přivedením logické úrovně tak můžeme definovat, zda si přejeme běžné přenosy na RS-232 s rychlostí přeběhu do 30 V/µs nebo rychlejší změny v rytmu MegaBaudu. Po připojení k „obyčejnému“ portu RS-232 tak můžeme fungovat zcela poctivě a kompatibilně. Pokud zase do akce zapojíme další MegaBaudový obvod, není problém provést „tuning“ a přenášet data na 1Mbps nebo ještě rychleji.

Piny V_L

Ve většině moderních aplikací pracují mikrokontroléry (µC) s výrazně nižším napájecím napětím, než naše transceivery. Vůbec se tedy nelze divit, když na rozhraní mezi mikrokontrolérem a příslušnými logickými úrovněmi transceiveru pro linku RS-232 uvidíme převodníky logických úrovní. Některé podpůrné obvody pro RS-232 mají takovou „vychytávku“ dokonce přímo na svém čipu, stejně jako MAX3386E, který nabízí pin V_L, určený k definování prahových úrovní na výstupech přijímací, resp. vstupech vysílací části. Taková míra flexibility proto získává na ceně zejména v systémech s větším počtem napájecích hladin nebo také odpovídajících logických úrovní. Tak např. integrovaný obvod MAX3386E, zachycený na obr. 12, pracuje s jednoduchým napájením v rozsahu 3.0 V až 5.5 V, přičemž pinem V_L nastavujeme prahové logické úrovně mezi 0.8 V až 5 V.

Obr. 12: Díky obvodu MAX3386E a jeho pinu V_L lze definovat prahové úrovně pro systémy s větším počtem napěťových hladin

Malý a ještě menší

Výrazným trendem poslední doby se stalo neustálé zmenšování rozměrů finálních výrobků. Ani integrované obvody tedy nesmí zůstat stranou a proto na desce plošného spoje zabírají stále méně a méně místa. Jednou z nejmenších dostupných variant se tak stalo zapouzdření typu

CSP (Chip-scale Package), resp.
WLCSP (Wafer-level Chip-scale Package) – viz obr. 13.

Díky moderním technologiím se podařilo minimalizovat indukčnosti mezi samotným čipem a deskou plošného spoje. Další nespornou výhodu pak představuje někdy až „drastické“ snížení rozměrů použitého pouzdra, zkrácení výrobního cyklu a také vylepšené tepelné vlastnosti. Přístup, označovaný jako WLCSP se v Maximu chrání pod značkou UCSP™.

Obr. 13: Mnohonásobně zvětšené, typické „14kuličkové“ pouzdro WLCSP nemusí během osazování znamenat výraznější komplikace

Závěr:

Technologie RS-232 se pomalu, ale zcela jistě, vyvíjela v souladu s aplikačními požadavky posledních pětadvaceti let. Celá řada transceiverů Maxim, určených pro sériovou linku RS-232, se tak stala hmatatelným důkazem výrazného pokroku. A co více, nic zatím nenasvědčuje tomu, že by se měl v této věci další postup zastavit. I v budoucnu se totiž očekává nasazení sériové komunikace v rytmu RS-232 všude tam, kde bude vyžadována nízká cena, umocněná jednoduchostí návrhu. Vedle