Este artículo analiza principalmente cómo diseñar un circuito de interfaz RS485 e introduce brevemente varios elementos clave que normalmente implica el diseño de un circuito de interfaz.

Qué es RS485?

RS485 es una comunicación semidúplex. La comunicación semidúplex significa que un canal puede recibir o transmitir simultáneamente. RS485 se caracteriza por admitir transmisión de múltiples saltos, larga distancia de transmisión y fuerte antiinterferencia. RS485 puede conectar varios dispositivos 485 y la velocidad de la señal puede alcanzar los 10 Mbps. La diferencia de voltaje entre dos líneas AB se utiliza para determinar si es un nivel lógico 1 o un nivel lógico 0. Cuando la diferencia de voltaje entre AB es mayor a 200 mV, es un nivel 1 alto, y cuando es menor a 200 mV. mV, es un nivel lógico 0. Normalmente, las resistencias de 120 ohmios se conectan al primer y último extremo para igualar la impedancia y eliminar la reflexión de la señal.

Diseño de circuito de hardware RS485

El diseño del circuito RS485 se puede dividir en tipos aislados y no aislados. La siguiente figura muestra el circuito del tipo no aislado. El terminal B se conecta a tierra y se baja, y el terminal A se eleva a través de una resistencia pull-up. para garantizar que la diferencia de voltaje entre A y B sea superior a 200 mV. Los pines DE y RE permiten la transmisión y recepción. Cuando RE es bajo, la recepción está activada; cuando DE es alto, se permite la transmisión. En aplicaciones, normalmente se conectan entre sí y se controlan a través de un puerto de E/S (RS485_EN). Dado que el chip está recibiendo o transmitiendo, la señal RS485_EN se establece en nivel alto antes de enviar datos y cuando se reciben datos se establece en nivel alto. bajo nivel de potencia.

Circuito automático de envío y recepción de hardware RS485

En comparación con el circuito 485 normal, la diferencia entre el circuito transceptor automático y el circuito transceptor automático es que hay otro transistor para controlar el pin de habilitación del 485. La resistencia limitadora de corriente R9 suele ser de 4,7 kΩ, y la resistencia pull-up R8 también suele ser de 4, 7 kOhm. El pin de habilitación se levanta cuando el transistor no está encendido.

Al recibir datos: el pin de recepción de datos es el primer pin del chip, que es la etiqueta de red RS485_RX. Mientras se reciben datos, el pin RS485_TX permanece alto, el pin VGS permanece alto y el transistor NPN Q1 está encendido, RE. El pin conectado a DE se lleva a GND a través de un transistor. En este momento, la recepción está encendida y en estado de recepción.

Al enviar datos: el pin de envío de datos es RS485_TX, RS485_TX debe enviar 1, el transistor está encendido, los niveles RE y DE son bajos, el chip transceptor RS485 no está encendido, porque en condiciones normales 485 es alto, en este momento los datos el nivel es alto; cuando RS485_TX envía 0, el transistor no está encendido. En este momento, la resolución de transmisión del IC del transceptor 485 está en un nivel alto y DI siempre se lleva a GND, por lo que los datos enviados son 0. De esta manera, se realiza el envío y la recepción automáticos de 485.

Envíe un análisis detallado:

RS485_TX envía 1, VGS está alto, el transistor NPN está encendido, el pin de habilitación está bajo, el envío está deshabilitado, la recepción está habilitada y está en estado de recepción. Dado que el pin AB de SP3485 está en un estado de alta impedancia, R4 eleva A y R5 baja, por lo que AB envía 1. Es decir, cuando RS485_TX envía 1, el pin AB envía 1.

Circuito de protección contra rayos para interfaz RS485

Circuito de protección de interfaz

L1 - estrangulador de modo común. Un estrangulador de modo común reduce el ruido de modo común y mejora la inmunidad al ruido. Normalmente se selecciona una resistencia de 120 ohmios/100 MHz. La función del condensador C3 es separar la tierra de la interfaz de la tierra digital. Normalmente se selecciona una capacitancia de 1000 pF. Para cumplir con los requisitos de protección EMC, la señal diferencial es de 2 kV y la señal de modo común es de 6 kV. El tubo de descarga de gas, el termistor y el tubo TVS se reservarán en la interfaz para formar un circuito de protección.

Diseño de PCB GND del circuito de interfaz RS485

Los dispositivos de protección marcados con una línea de puntos deben ubicarse lo más cerca posible de la interfaz, de manera compacta y ordenada. Coloque primero los dispositivos de seguridad y luego los dispositivos de filtrado.

El diseño del circuito de interfaz RS485 normalmente implica varios elementos clave, incluida la transmisión de señales, el aislamiento eléctrico, la reducción de ruido, las medidas de protección y el diseño de la lógica de control y potencia.

Elementos clave

Seleccionar y tender una línea de señal.

• Utilice un par de pares trenzados como líneas de señal diferencial (A y B), normalmente pares trenzados blindados para reducir la EMI.

• Mantenga la longitud de las líneas A y B lo más similar posible para reducir las diferencias en la latencia de la señal y garantizar la integridad de la señal.

Inductor y filtrado de modo común

• Agregue un inductor de modo común L1 en la entrada de la línea de señal para suprimir el ruido de modo común. El rango de impedancia recomendado es 120 ohmios/100MHz ~ 2200 ohmios/100MHz.

• También puede ser necesario conectar condensadores de desacoplamiento, tubos TVS y otros componentes en paralelo para mejorar aún más la inmunidad al ruido.

Seleccionar un chip transceptor

• Los circuitos integrados de transceptores comunes incluyen SP3485, MAX485, etc., que convierten niveles lógicos TTL/CMOS en señales RS485 diferenciales.

• Se debe prestar atención a la lógica de conexión de los contactos de control como RE, DE y RO. Normalmente, RE y DE se pueden conectar juntos para controlar el modo de transmisión/recepción a través de una única señal de control.

Resistencias de polarización y terminación

• La línea de señal A puede necesitar una resistencia pull-up (por ejemplo, de 10 k a 4,7 k) para mantener un estado de voltaje durante el estado inactivo, y es posible que sea necesario llevar la línea de señal B a GND.

• Instale resistencias de terminación de 120 ohmios en ambos extremos del bus o en ubicaciones apropiadas para reducir la reflexión de la señal y mejorar la calidad de la señal.

Protección contra rayos y sobretensiones

• Se pueden agregar tubos TVS y/o fusibles reajustables a la línea de señal para proporcionar protección contra sobretensiones y mejorar la confiabilidad del circuito.

• Para entornos de alto riesgo, considere agregar circuitos de protección contra rayos por encima de 6 kV.

Diseño CEM

• Asegure una buena conexión a tierra, especialmente al manipular la conexión a tierra de la interfaz. A veces, la tierra de una placa está conectada directamente al chasis y a través de un condensador de 1000 pF.

• Al colocar la PCB, preste atención a la separación de las líneas de alimentación y de señal, reduzca la diafonía y aumente la cantidad de condensadores de filtrado y desacoplamiento.

lógica de control

• Según los requisitos de la aplicación, diseñe la lógica de control o utilice MCU para controlar y enviar la señal de habilitación para lograr la conmutación automática o manual.
• El diseño del circuito transceptor automático puede requerir una lógica más compleja para gestionar automáticamente el estado de envío y recepción para adaptarse a diferentes escenarios de comunicación.

Este año, los tres principales operadores españoles, Movistar, Vodafone y MasOrange, llegaron a un acuerdo para compartir la banda de frecuencia de 700MHz, con el objetivo de ampliar la cobertura de la red 5G en zonas rurales y remotas. La medida atrajo una atención generalizada en todo el mundo. Hoy en día, los recursos de espectro son sin duda el principal activo para el desarrollo de redes inalámbricas. ¿Por qué los operadores comparten la banda de frecuencia de 700MHz?

¿Por qué la banda de frecuencia de 700MHz se llama “banda de frecuencia dorada”?

En el campo de las comunicaciones inalámbricas, la banda de frecuencia de 700 MHz a menudo se denomina “banda de frecuencia dorada”. Este título se deriva principalmente de las muchas ventajas de la banda de frecuencia de 700MHz, incluyendo baja pérdida de propagación, amplia cobertura, fuerte penetración y bajo costo de red. Estas características hacen de 700MHz un recurso de frecuencia ideal, especialmente cuando se implementan redes de comunicaciones móviles como 5G. Puede lograr una cobertura de señal de área grande con una cantidad menor de estaciones base, lo que reduce significativamente los costos de construcción y mantenimiento. Por tanto, 700MHz se ha convertido en un campo de batalla para los operadores en la construcción de 5G.

La banda de frecuencia de 700MHz se refiere al rango de frecuencia inalámbrica aproximadamente entre 698MHz~806MHz/862MHz. Las características de esta banda incluyen:

① Baja pérdida de propagación de señal: en comparación con las bandas de alta frecuencia, las ondas electromagnéticas de 700 MHz pueden penetrar edificios y obstáculos de manera más efectiva, reduciendo la atenuación de la señal y proporcionando así una distancia de propagación más larga.

② Amplia cobertura: debido a la baja pérdida, las estaciones base construidas utilizando la banda de frecuencia de 700MHz pueden cubrir un área geográfica más grande y reducir la cantidad de estaciones base requeridas.

③ Fuerte poder de penetración: puede penetrar profundamente en el ambiente interior, mejorar las áreas débiles de la señal causadas por estructuras de edificios y mejorar la calidad de la cobertura interior.

④ Alta eficiencia de transmisión: las características de la banda de baja frecuencia hacen que la transmisión de datos sea más estable y confiable, especialmente en escenarios móviles o de alta velocidad.

⑤ Bajo costo de red: la ventaja de una amplia cobertura reduce la cantidad de implementaciones de estaciones base y reduce los costos de construcción, operación y mantenimiento de infraestructura, y el consumo de energía.

En mi país, la banda de frecuencia de 700MHz se utilizó originalmente para servicios de radio y televisión, pero se han replanificado algunos recursos de espectro para sistemas de comunicaciones móviles. China Radio and Television tiene recursos de banda de frecuencia de 700 MHz de la más alta calidad. Después de obtener la licencia 5G, planea utilizar esta banda de frecuencia para construir una red 5G. Esto no sólo ayudará a acelerar la popularización de las redes 5G, sino que también promoverá la cobertura de la red en áreas rurales y remotas y reducirá la brecha digital.

Actualmente, las comunicaciones domésticas 5G utilizan cuatro bandas de frecuencia: 700MHz, 2,6GHz, 3,5GHz y 4,9GHz. Cuanto menor sea la frecuencia y mayor la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, mayor será la capacidad de difracción y, por lo tanto, mayor será la distancia de propagación. Entre ellas, la banda de frecuencia de 700MHz tiene la cobertura más amplia, superando con creces a otras bandas de frecuencia. Por lo tanto, el costo de construcción de la red en las mismas condiciones es menor, es decir, se pueden construir menos estaciones base 5G para cubrir todo el país.

700MHz es la “banda de frecuencia dorada” desde una perspectiva de cobertura, pero tiene deficiencias de capacidad. El ancho de banda disponible de 700 MHz es mucho menor que el de 2,6 GHz, 3,5 GHz y otras bandas de frecuencia. Sin embargo, para lograr una velocidad ultraalta en 5G, cuanto mayor sea el ancho de banda del canal, mejor. ¿No sería mejor si se pudieran tener en cuenta tanto la cobertura como la capacidad?

A nivel mundial, muchos países están implementando o considerando activamente utilizar la banda de frecuencia de 700 MHz para mejorar las capacidades de cobertura y la calidad del servicio de sus redes 5G. La construcción conjunta y el uso compartido de la banda de frecuencia de 700MHz es un paso clave para mejorar la cobertura de la red 5G. El uso de la banda de frecuencia de 700MHz para compartir redes de acceso puede evitar efectivamente el desperdicio de recursos. No sólo España, sino también operadores de China y Estados Unidos están explorando activamente la posibilidad de compartir la banda de frecuencia de 700MHz. Ya en 2020, China Mobile firmó un acuerdo de cooperación estratégica integral de “compartición y construcción conjunta de 5G” con Radio y Televisión de China para lograr el intercambio de recursos y la construcción conjunta de redes. La radio y la televisión comparten 700 millones para mejorar la cobertura de red de China Mobile y, al mismo tiempo, disfrutan de la ventaja de capacidad de China Mobile en 2,6 GHz. Ambas partes obtienen lo que necesitan y se complementan entre sí.

Se convertirá la banda de frecuencia de 600 MHz en la nueva “banda de frecuencia dorada”?

La banda de baja frecuencia 5G es la clave para la construcción global de 5G. Como importante recurso de espectro en el campo de las comunicaciones inalámbricas, la banda de frecuencia de 600 MHz también se considera uno de los recursos clave para el despliegue de la red 5G. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. ha propuesto y promovido el uso de la banda de frecuencia de 600 MHz para la construcción de redes 5G para lograr una cobertura más amplia y una mejor penetración en los edificios. Operadores como T-Mobile ya están utilizando la banda de frecuencia de 600 MHz para el despliegue de redes 5G, lo que demuestra la importante posición de esta banda de frecuencia en la era 5G.

En 2022, la organización de estandarización 3GPP aprobó el proyecto de trabajo sobre 5G de 600MHz, lo que indica que esta banda de frecuencia es oficialmente compatible con aplicaciones 5G en todo el mundo. En particular, la adopción de la banda de frecuencia APT de 600 MHz (nombrada por la Organización de Telecomunicaciones de Asia y el Pacífico) significa que esta banda de frecuencia puede convertirse en un factor clave para promover la popularidad de los servicios 5G en la región de Asia y el Pacífico. En algunos países y regiones, 600MHz se utilizaba principalmente para servicios de transmisión en el pasado, pero ahora estos recursos se están transfiriendo gradualmente al campo de las comunicaciones móviles. En nuestro país, el poseedor de 600MHz sigue siendo China Radio and Television.

Banda de frecuencia APT 600MHz

Si bien la banda de 600MHz tiene ventajas en cobertura, también enfrenta limitaciones de capacidad y posibles problemas de interferencia, como la coexistencia con otros servicios y dispositivos inalámbricos. Esto requiere el uso de tecnologías avanzadas, como Massive MIMO, Dynamic Spectrum Sharing (DSS), etc., para optimizar la utilización del espectro y gestionar las interferencias.

Se espera que 600MHz se convierta en una fuerza importante para promover la cobertura de la red global 5G, mejorar la calidad del servicio y promover el desarrollo de la economía digital.

El protocolo Profinet, como implementación de Ethernet industrial, se basa en la tecnología Ethernet estándar e introduce comunicación en tiempo real y mecanismos de comunicación isócronos en tiempo real para cumplir con los requisitos estrictos de velocidad de comunicación, confiabilidad y rendimiento en tiempo real de la automatización industrial.

Los siguientes son los principios básicos del protocolo Profinet:

1. Estandarización basada en Ethernet:
   Profinet aprovecha la tecnología Ethernet ampliamente disponible, lo que significa que puede utilizar hardware Ethernet estándar y pilas de protocolos TCP/IP. Esto no sólo reduce los costos sino que también mejora la compatibilidad y la escalabilidad.
2. Comunicación en tiempo real (RT):
   Profinet optimiza la ruta de transmisión de datos en la red a través de un mecanismo de comunicación en tiempo real y reduce el tiempo de transmisión de paquetes de datos en la red. Este mecanismo logra tiempos de respuesta de milisegundos al transmitir datos directamente en la capa de enlace de datos (Capa 2 del modelo OSI), sin pasar por el procesamiento de la pila de protocolos TCP/IP.
3. Comunicación isócrona en tiempo real (IRT):
   IRT es el nivel más alto de comunicación en tiempo real en Profinet y puede lograr una precisión de sincronización de nivel de microsegundos. Este mecanismo asegura la certeza y sincronización de la transmisión de datos reservando un intervalo de tiempo fijo (Time-Slot) en la red para transmitir datos en tiempo real. IRT es particularmente adecuado para aplicaciones que requieren sincronización de alta precisión, como control de movimiento y robótica.
4. Redundancia de medios y redundancia de red:
   Profinet admite el Protocolo de redundancia de medios (MRP) y el Protocolo de redundancia de red (MRPD) para mejorar la confiabilidad de la red. MRP permite que la red cambie automáticamente a una ruta alternativa cuando falla un medio físico (como un cable), mientras que MRPD proporciona redundancia en la topología de la red, lo que garantiza que las comunicaciones aún se puedan mantener cuando fallan los componentes de la red (como los conmutadores).
5. Integre los sistemas de bus de campo existentes:
   Profinet se puede integrar perfectamente con los sistemas de bus de campo existentes (como Profibus) a través de la tecnología de servidor proxy (Proxy). Esto permite a los usuarios actualizar gradualmente a redes Profinet sin reemplazar el equipo existente.
6. Potentes diagnósticos y gestión de red:
   Profinet proporciona funciones de diagnóstico integrales, que incluyen monitoreo del estado de la red, detección del estado del equipo y ubicación de fallas. Estas características ayudan a identificar y resolver problemas rápidamente, reduciendo el tiempo de inactividad.
7. Diseño modular:
   Profinet admite perfiles de dispositivos modulares (MDP), lo que permite a los fabricantes de dispositivos diseñar productos modulares y escalables. Esto brinda a los usuarios la flexibilidad de configurar y expandir el sistema según sea necesario.

A través de estos principios, el protocolo Profinet proporciona una plataforma de comunicación eficiente, confiable y en tiempo real para la automatización industrial, que admite una amplia gama de aplicaciones, desde sensores y actuadores simples hasta sistemas robóticos y de control de movimiento complejos. A continuación se presenta un caso típico para facilitarlo. comprensión. Qué hace este acuerdo:
Desde cierta planta de fabricación de automóviles en Alemania, la empresa actualizó recientemente su línea de producción a la red de comunicación Profinet. En el pasado, debido a retrasos en la red y problemas de desincronización, los brazos robóticos en la línea de producción ocasionalmente experimentaban errores de coordinación cuando operaban a altas velocidades, lo que resultaba en una reducción de la eficiencia de la producción y un desperdicio de materias primas. Después de utilizar Profinet, se logró la sincronización completa de sus sistemas de control y se controló con precisión el funcionamiento de cada brazo robótico. Al utilizar la función IRT, todos los brazos robóticos ahora pueden recibir instrucciones y actuar en consecuencia en el mismo microsegundo, lo que mejora enormemente la eficiencia de la producción y reduce las pérdidas de materia prima. Además, el Protocolo de redundancia de medios (MRP) de Profinet garantiza la alta confiabilidad de la red y cualquier punto único de falla no afectará el proceso de producción general.

Además de funciones como la comunicación en tiempo real, Profinet admite una integración perfecta con los sistemas Profibus existentes y otros sistemas de bus de campo, lo que hace que la actualización de los equipos existentes sea sencilla y económica. Además, el diseño modular de Profinet permite a las fábricas configurar equipos de manera flexible y ampliar las funciones del sistema según las necesidades.