ในด้านการควบคุมอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติในอาคาร การสื่อสารแบบ RS-485 ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายเนื่องจากการส่งข้อมูลแบบดิฟเฟอเรนเชียล ความสามารถในการส่งข้อมูลระยะไกล และประสิทธิภาพในการป้องกันสัญญาณรบกวนที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง วิศวกรส่วนใหญ่มักมองข้าม "อิมพีแดนซ์ของวงจร" ซึ่งส่งผลต่อเสถียรภาพในการสื่อสาร ทำให้เกิดการสูญเสียแพ็กเก็ตเป็นครั้งคราวและการหยุดชะงักของการสื่อสารของอุปกรณ์ การแก้ไขปัญหาดังกล่าวต้องใช้เวลาและแรงงานอย่างมาก
บทความนี้จะใช้วิธีการที่ "ใกล้ตัวและเข้าใจง่าย" เพื่อช่วยให้คุณเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าอิมพีแดนซ์ของวงจรคืออะไร ทำไมมันถึงสำคัญมาก และจะปรับปรุงให้เหมาะสมในการออกแบบและการดีบักได้อย่างไร เพื่อให้การสื่อสารแบบ RS-485 ราบรื่นเหมือนทางหลวงที่ปูด้วยคอนกรีต
ลองนึกภาพระบบท่อน้ำในบ้านของคุณ: ปั๊มน้ำ (ไดรเวอร์) ดันน้ำไปยังจุดบริโภคน้ำ (ตัวรับ) จากนั้นน้ำจะไหลกลับไปยังปั๊มน้ำผ่านท่ออีกเส้นหนึ่ง ทำให้เกิดวงจร
ปัจจัยต่างๆ เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ข้อศอก กิ่งก้าน และแรงดันน้ำ ล้วนส่งผลต่อการไหลของน้ำที่ราบรื่น "อิมพีแดนซ์ของวงจร" ในวงจรไฟฟ้าก็คล้ายกัน: มันคือการแสดงออกที่ครอบคลุมของ "ความต้านทาน" ที่กระทำต่อสัญญาณ AC ในวงจรปิดทั้งหมด ซึ่งสัญญาณเริ่มต้นจากปลายทางส่ง สื่อสารไปตามคู่สายดิฟเฟอเรนเชียล ไปถึงปลายทางรับ แล้วกลับไปยังปลายทางส่ง
- ความต้านทาน (R): เหมือนกับแรงเสียดทานที่กำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ
- ค่าเหนี่ยวนำ (L): คล้ายกับวาล์วและข้อศอกในท่อ ซึ่งจะทำให้เกิดผล "ฮิสเทอรีซิส" เมื่อสัญญาณเปลี่ยนแปลง
- ค่าความจุ (C): สามารถเปรียบเทียบได้กับถังเก็บน้ำหรือถังเก็บน้ำ ซึ่งจะเก็บพลังงานและปล่อยออกมาทันที ส่งผลต่อความผันผวน
ในระบบ RS-485 "อิมพีแดนซ์ของวงจร" ทั้งหมดภายใต้การทำงานร่วมกันของปัจจัยทั้งสามนี้ จะเป็นตัวกำหนดคุณภาพและความน่าเชื่อถือของสัญญาณโดยตรง
สายเคเบิลสื่อสาร RS-485 มักใช้สายคู่บิดเกลียวแบบมีฉนวนป้องกัน 120 Ω เช่นเดียวกับการเลือกท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในคงที่ เพื่อให้แน่ใจว่าการสูญเสียการไหลของน้ำ (สัญญาณไฟฟ้า) น้อยที่สุด
ตัวต้านทาน 120 Ω จะเชื่อมต่อแบบขนานที่ปลายแต่ละด้านของสาย เพื่อ "ดูดซับ" พลังงานสัญญาณและหลีกเลี่ยง "เสียงสะท้อน" - เหมือนกับการติดตั้งวาล์วลดเสียงที่ปลายท่อเพื่อป้องกันการกระแทกของน้ำ
เมื่ออุปกรณ์หลายตัวเชื่อมต่อแบบขนานบนบัส จะเทียบเท่ากับการเชื่อมต่อกิ่งก้านหลายเส้นเข้ากับท่อ อิมพีแดนซ์โดยรวมจะลดลง และสัญญาณมีแนวโน้มที่จะ "ถูกแบ่ง" ซึ่งอาจส่งผลให้ปลายทางรับไม่ได้รับระดับที่เพียงพอ
ขั้วต่อแต่ละตัว ไดโอด TVS แต่ละตัว หรืออุปกรณ์ป้องกันแต่ละตัว จะเพิ่มความไม่ต่อเนื่องเล็กน้อย เช่นเดียวกับข้อต่อที่ส่วนต่อประสานท่อที่ไม่ปิดผนึกอย่างแน่นหนา ซึ่งจะทำให้เกิดการรั่วไหลหรือการอุดตันในพื้นที่
แม้ว่า RS-485 จะเป็นการสื่อสารแบบดิฟเฟอเรนเชียล แต่สายดินจะยังคงสร้างวงจร ซึ่งเป็น "สิ่งที่ไม่ได้รับเชิญ" สำหรับสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไป ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าของสายดินระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ นั้นเหมือนกับความแตกต่างของระดับน้ำระหว่างหอคอยน้ำต่างๆ ในระบบประปา ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น "การไหลย้อนกลับ" หรือ "การไหลข้าม"
อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันจะทำให้สัญญาณ "เด้งกลับ" เหมือนกับการชนกำแพงสะท้อนแสง ส่งผลให้เกิดการบิดเบือนรูปคลื่น การสั่น และการเกินค่า ในที่สุด ตัวรับจะไม่สามารถแยกแยะได้ว่าเป็น "1" หรือ "0"
อิมพีแดนซ์ที่ไม่เสถียรเทียบเท่ากับการรั่วไหลของน้ำที่เพิ่มขึ้นในท่อ เมื่อส่งข้อมูลในระยะทางไกลหรือด้วยความเร็วสูง การสูญเสียจะรุนแรงกว่า และสัญญาณอาจ "หมด" ก่อนที่จะถึงปลายทาง
อิมพีแดนซ์ที่ไม่ต่อเนื่องเหมือนช่องว่างในท่อ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะ "ถูกแทรกซึม" โดยสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดอัตราข้อผิดพลาดบิตเพิ่มขึ้น
ไดรเวอร์จะส่งออกกระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นเพื่อชดเชยการลดทอนสัญญาณ เช่นเดียวกับปั๊มน้ำที่ทำงานด้วยอัตราการไหลขนาดใหญ่เป็นเวลานานจะสึกหรอเร็วขึ้น ทำให้เกิดความร้อน การใช้พลังงาน และความเสี่ยงต่ออายุการใช้งาน
หลักการสำคัญ: รักษาความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ ทำให้แบนราบ คงที่ในความกว้าง และมีกิ่งก้านน้อยเหมือนถนนที่ปูด้วยคอนกรีต
ใช้สายคู่บิดเกลียวแบบมีฉนวนป้องกันที่มีค่าระบุ 120 Ω
ชั้นป้องกันควรต่อสายดินอย่างน่าเชื่อถือ: ควรพิจารณาว่าจะต่อสายดินปลายด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านตามสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนจริง
คู่สายดิฟเฟอเรนเชียลต้องถูกกำหนดเส้นทางด้วยความยาวเท่ากันและระยะห่างเท่ากัน เพื่อหลีกเลี่ยงอิมพีแดนซ์ที่ไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากด้านใดด้านหนึ่งยาวเกินไป
ร่องรอยดิฟเฟอเรนเชียลบน PCB ไม่ควรข้ามการแบ่งระนาบกราวด์ และควรวางบนเลเยอร์เดียวกันหรือใช้ระนาบกราวด์แบบสมมาตรให้มากที่สุด
เชื่อมต่อตัวต้านทานการสิ้นสุด 120 Ω แบบขนานที่ปลายแต่ละด้านของบัส
หากจำเป็นต้องปราบปรามสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไป สามารถใช้ "การสิ้นสุดแบบแยก" ได้: เชื่อมต่อตัวต้านทาน 60 Ω สองตัวแบบอนุกรม และเชื่อมต่อตัวเก็บประจุขนาดเล็กแบบขนานที่จุดกึ่งกลางกับกราวด์ ซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่ม "ท่อเก็บเสียง" ให้กับเส้นทางสัญญาณ
รักษาสัญญาณเอาต์พุตของตัวรับให้อยู่ในระดับที่ทราบค่าที่เสถียร (โดยปกติคือลอจิก "1") เมื่อบัสไม่ได้ใช้งาน
สามารถเพิ่มตัวต้านทานแบบดึงขึ้นเพื่อดึงสายดิฟเฟอเรนเชียล A ขึ้น และตัวต้านทานแบบดึงลงเพื่อดึงสายดิฟเฟอเรนเชียล B ลง เพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณลอยเมื่อสายขาดหรือไม่มีใครส่งข้อมูล
ให้ความสำคัญกับการใช้ "โทโพโลยีแบบเส้นตรง" (เส้นตรง) และติดตั้งตัวต้านทานการสิ้นสุดที่ปลายทางกายภาพเท่านั้น
หลีกเลี่ยงดาว วงแหวน หรือกิ่งก้านที่ยาวเกินไป เหมือนกับการหลีกเลี่ยงการใส่กิ่งก้านแบบสุ่มบนถนนสายหลักเพื่อป้องกันการจราจรติดขัด
ขอบสัญญาณที่เร็วขึ้น (ชันขึ้น) การสะท้อนก็จะยิ่งรุนแรงขึ้น สำหรับการส่งข้อมูลระยะไกล สามารถใช้ตัวรับส่งสัญญาณแบบจำกัดความลาดชัน หรือลดอัตราบอดลงอย่างเหมาะสมเพื่อให้ตรงกับ "ความเร็วของรถ" กับ "สภาพถนน"
ใชโพรบดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อสังเกตรูปคลื่นแรงดันของสาย A/B และตรวจสอบการสั่น การเกินค่า หรือการลดทอน เปรียบเทียบอัตราบอดกับรูปคลื่นสัญญาณทางทฤษฎีเพื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องจำกัดความลาดชันหรือปรับอัตราหรือไม่
ถอดส่วนกิ่งก้านออกทีละส่วน สังเกตการเปลี่ยนแปลงรูปคลื่น และระบุตำแหน่งของความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์หรือปัญหาโหมดทั่วไป
