Интерфейсные микросхемы — что ставят между контроллером и линией связи

Выводы микроконтроллера работают с логическими уровнями на короткой линии внутри платы. Линия связи за пределами платы — другая среда: длина в десятки и сотни метров, помехи, разность потенциалов между устройствами, риск подачи постороннего напряжения. Между контроллером и такой линией ставится отдельная микросхема, которая преобразует логический уровень в сигнал нужного стандарта и принимает на себя внешние воздействия.

Ниже — какие задачи закрывают интерфейсные микросхемы, по каким параметрам они подбираются, когда нужна гальваническая развязка и что ставится в цепь дополнительно. Номенклатура — в разделе интерфейсные микросхемы.

Что стоит между контроллером и линией

• Приёмопередатчик дифференциальной линии. Преобразует логический сигнал в дифференциальный и обратно — для двухпроводной линии связи на большое расстояние. Нагрузочная способность определяет число устройств на линии.
• Приёмопередатчик сети с арбитражем. Для шин, где устройства передают в общую линию, — формирует уровни и обеспечивает совместную работу нескольких передатчиков.
• Преобразователь интерфейса в последовательный порт компьютера. Микросхемы вида CP2102N или FT232RL дают устройству подключение к компьютеру без собственного стека на контроллере.
• Приёмопередатчик высокоскоростной дифференциальной линии. Изделия вида SN65LVDS2 и DS91M125 применяются для передачи сигнала внутри прибора между платами и в коротких линиях с высокой скоростью.
• Физический уровень проводной сети. Отдельная микросхема формирует сигнал в линии и работает с трансформаторной развязкой, контроллер при этом занимается только обменом данными.
• Расширители и преобразователи шин внутри прибора. Позволяют вывести на плату дополнительные выводы или перейти с одной внутренней шины на другую — такие изделия частично собраны в разделе логические микросхемы.

По каким параметрам подбирают

• Напряжение питания и уровни логики со стороны контроллера. Выводы на 3,3 вольта и микросхема с питанием 5 вольт совместимы не всегда, и перевод уровней — отдельная задача.
• Скорость передачи. Для длинной линии предельная скорость связана с длиной: чем длиннее линия, тем ниже допустимая скорость, и это ограничение проверяется до выбора изделия.
• Число устройств на линии. Нагрузочная способность приёмопередатчика задаёт, сколько абонентов допускается подключить без повторителя.
• Потребление и режим пониженного потребления — для устройств с питанием от батареи или от линии.
• Стойкость к внешним воздействиям — защита выводов линии от статического разряда и допустимое напряжение на линии при неправильном подключении.
• Диапазон температур и исполнение корпуса. Для приборов в неотапливаемом помещении берут расширенный диапазон, корпус выбирают под технологию монтажа.
• Наличие развязки в одном корпусе. Исполнения со встроенной изоляцией сокращают число компонентов и место на плате.

Когда нужна гальваническая развязка

Развязка ставится там, где устройства питаются от разных источников или где линия выходит за пределы шкафа. Разность потенциалов между землями двух устройств создаёт ток по линии связи, и без развязки он проходит через приёмопередатчик.

• Линия между устройствами в разных шкафах или на разных участках, где земля не общая.
• Связь с оборудованием, в котором есть силовая часть, — преобразователи, приводы, нагреватели.
• Приборы с питанием от сети, где требуется разделение цепей по условиям безопасности.
• Длинная линия, проложенная рядом с силовыми кабелями, где наводка складывается с разностью потенциалов.
• Измерительные цепи, где ток по линии связи искажает результат измерения.

Изделия с изоляцией в одном корпусе — микросхемы вида ADuM1250 и ISOW1044 с встроенным преобразователем питания изолированной стороны; для развязки отдельных сигналов применяются оптопары, для коммутации — оптореле.

Сравнение способов подключения линии

Беспроводные исполнения собраны в разделе радиомодули и антенны, тактирование физического уровня обеспечивают изделия из разделов кварцевые резонаторы и генераторы.

Что ставится в цепь вместе с микросхемой

• Защита выводов линии от статического разряда и импульсных помех — защитные диоды TVS и ESD, при наличии длинных линий дополнительно варисторы.
• Токовая защита цепи при подаче постороннего напряжения — предохранители и держатели.
• Фильтрация по питанию и по линии — ферритовые фильтры и фильтры, конденсаторы по питанию у каждого корпуса.
• Питание изолированной стороны, если изоляция не имеет встроенного преобразователя, — преобразователи напряжения или стабилизаторы.
• Подключение линии — клеммные колодки для монтажа на объекте, разъёмы для печатных плат и прямоугольные разъёмы для разборного соединения.
• Согласование линии — терминирующие резисторы у крайних устройств, номинал определяется волновым сопротивлением линии.

Со стороны контроллера

• Проверяется, есть ли в контроллере нужный блок обмена и сколько таких блоков. Если блоков не хватает, часть интерфейсов реализуется программно с ограничением по скорости — выбор контроллера описан в разделе микроконтроллеры.
• Для большого числа одновременных линий с жёсткими требованиями по времени задачу берут на себя программируемые логические схемы — ПЛИС.
• Учитывается загрузка процессора обменом. Приём больших объёмов без прямого доступа к памяти занимает процессорное время, которое нужно прикладной задаче.
• Проверяется совместимость уровней и наличие согласования по напряжению между контроллером и интерфейсной микросхемой.
• Отладка цепи выполняется до запуска серии — платы для проверки схемы собраны в разделе отладочные платы.

Частые вопросы

Можно ли вывести линию связи прямо с выводов контроллера? Внутри прибора на короткой линии — можно. За пределы платы и корпуса — нет: вывод не рассчитан на длинную линию, не формирует уровни стандарта и не защищён от воздействий на линии.

Нужна ли развязка, если устройства питаются от одного источника? При общем источнике и общей земле развязка не обязательна. Она понадобится, если линия выходит за пределы шкафа, проложена рядом с силовыми кабелями или одно из устройств содержит силовую часть.

Почему связь работает на коротком кабеле и пропадает на длинном? Причины — отсутствие согласования линии на концах, превышение допустимой скорости для такой длины, падение напряжения в линии и наводки. Проверяются терминаторы, скорость, схема прокладки и экран кабеля.

Как подобрать аналог интерфейсной микросхемы? По стандарту линии, напряжению питания, уровням логики, нагрузочной способности, скорости, наличию изоляции и корпусу. Совпадение наименования семейства недостаточно: изделия одной серии различаются числом каналов, направлением передачи и защитой.

Что прислать для подбора? Стандарт и длину линии, скорость обмена, число устройств на линии, напряжение питания и уровни логики контроллера, требование по изоляции, диапазон температур, тип монтажа и годовую потребность.

Что мы делаем

Подбираем интерфейсные микросхемы по стандарту линии, скорости, числу устройств и требованию по изоляции, предлагаем аналоги при отсутствии позиции, комплектуем цепь защитой, фильтрами, разъёмами и элементами согласования. Поставка, проверка маркировки и партии, сопровождение по срокам и заменам — на нашей стороне.

Пришлите перечень позиций или описание линии связи на micro@tkasiatorg.ru — подберём микросхемы и аналоги, предложим состав цепи и назовём сроки поставки.