Les Les émet­teurs-ré­cep­teurs ré­cep­teurs RS- 485

La po­pu­la­ri­té dont jouissent tou­jours les vé­né­rables in­ter­faces de com­mu­ni­ca­tion RS-485 jus­ti­fie une offre foi­son­nante en cir­cuits d’émis­sion et de ré­cep­tion. Celle-ci va du trans­cei­ver d’usage gé­né­ral, fonc­tion­nant en mode se­mi-du­plex ou full-du­plex, au

Electronique S - - La Une - PHI­LIPPE CORVISIER

En vogue dans le monde in­dus­triel, no­tam­ment, les liaisons RS-485 sont mises à pro­fit pour trans­mettre des don­nées en mode dif­fé­ren­tiel sur de longues dis­tances (de plu­sieurs cen­taines de mètres à plus d’un ki­lo­mètre, da­van­tage avec des ré­pé­teurs) et/ou dans des en­vi­ron­ne­ments élec­triques brui­tés. Si la norme TIA/EIA485 dé­fi­nit les ca­rac­té­ris­tiques élec­triques de la couche phy­sique de cette in­ter­face nu­mé­rique sé­rielle, le pro­to­cole de com­mu­ni­ca­tion n’est quant à lui ni spé­ci­fié, ni re­com­man­dé. Par exemple, un bus de ter­rain éprou­vé comme Pro­fi­bus-DP (Pro­cess Field Bus-De­cen­tra­li­zed Pe­ri­phe­rals) s’ap­puie sur la norme RS-485. La vi­tesse de trans­mis­sion es­pé­rée, entre une cen­taine de ki­lo­bits par se­conde et plu­sieurs di­zaines de mé­ga­bits par se­conde, est na­tu­rel­le­ment tri­bu­taire de la lon­gueur du bus. La to­po­lo­gie du ré­seau peut être de type point à point ou mul­ti­point. L’adop­tion d’une lo­gique à trois états per­met ain­si la désac­ti­va­tion des trans- met­teurs re­liés au bus. Ce qui contraste avec le proche stan­dard RS-422, qui n’au­to­rise la pré­sence que d’un seul dri­ver sur la ligne. Avec RS-485, des modes de com­mu­ni­ca­tion bi­di­rec­tion­nelle en du­plex in­té­gral ( full

du­plex, FD) sur quatre fils et se­mi-du­plex ( half-du­plex, HD) sur deux fils (au­quel s’ajoute le fil pour la ré­fé­rence de po­ten- tiel élec­trique) sont en­vi­sa­geables. Dans le pre­mier cas, la po­li­tique d’ar­bi­trage au ni­veau du bus est sim­pli­fiée. Dans le se­cond cas, les in­for­ma­tions che­minent tan­tôt dans un sens, tan­tôt dans l’autre (en al­ter­nat), sous le contrôle du pro­to­cole. Avec un mode fonc­tion­nel HD, les lignes com­munes du bus sont « A » et « B ». Avec un mode FD, les lignes sont « A » et « B » cô­té ré­cep­teur, « Y » et « Z » cô­té émet­teur. Des résistances de ter­mi­nai­son, dont la va­leur est égale à l’im­pé­dance ca­rac­té­ris­tique du câble (ty­pi­que­ment 120 Ω), sont pla­cées aux ex­trê­mi­tés du bus pour évi­ter la ré­flexion du si­gnal ( voir fi­gure). Un émet­teur RS-485 est à même de com­mu­ni­quer avec un maxi­mum de 32 uni­tés de charge (UL, Unit Load), pour re­prendre la ter­mi­no­lo­gie en vi­gueur. L’im­pé­dance mi­ni­male d’en­trée d’un ré­cep­teur correspondant à une uni­té de charge est de 12 kΩ. En pra­tique, le nombre de noeuds peut être bien su­pé­rieur à 32 en consi­dé­rant une uni­té de charge frac­tion­née : 64 noeuds avec UL= 1/ 2, 128 noeuds avec UL= 1/ 4, 256 noeuds avec UL=1/8. Ce qui sous-en­tend l’usage de ré­cep­teurs dont l’im­pé­dance d’en­trée a été aug­men­tée dans un rap­port in­verse. Quoi qu’il en soit, pour as­su­rer la confor­mi­té avec la norme, des cir­cuits d’émis­sion-ré­cep­tion (trans­cei­vers) spé­cia­li­sés sont re­quis. Compte te­nu de la po­pu­la­ri­té du stan­dard RS-485, l’offre est foi­son­nante afin de ré­pondre aux be­soins d’un large éven­tail d’ap­pli­ca­tions. Elle va du trans­cei­ver d’usage gé­né­ral, fonc­tion­nant en mode se­mi-du­plex ou full-du­plex, au mo­dèle haute vi­tesse (jus­qu’à 100 Mbits/s pour les plus per­for­mants), en pas­sant par les cir­cuits dont la ro­bus­tesse a été ren­for­cée vis-à-vis de nom­breux fac­teurs, de na­ture tran­si­toire ou de du­rée in­dé­ter­mi­née (par exemple la pré­sence d’une forte ten­sion sur le bus, suite à un aléa). Sou­vent, une même sé­rie se­ra dé­cli­née en plu­sieurs ré­fé­rences se dif­fé­ren­ciant se­lon le dé­bit de don­nées sou­te­nu. En ef­fet, dans cer­taines ap­pli­ca­tions, une

vi­tesse li­mi­tée se­ra re­cher­chée, lorsque des contraintes liées aux in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques (IEM) se posent avec acui­té. Les deux fonc­tions de trans­mis­sion et de ré­cep­tion des don­nées sont ha­bi­tuel­le­ment prises en charge par un même cir­cuit, les seuls ré­cep­teurs et émet­teurs étant rares. Si­gna­lons tout de même la sé­rie XR33193/4/5 in­tro­duite fin 2016 par Exar (une so­cié­té ac­quise par MaxLi­near en mars 2017). Celle-ci prend la forme de dri­vers (250kbit/s, 2,5Mbit/s et 20 Mbit/s) à faible consom­ma­tion (180 μA à 3,3 V) et à em­preinte li­mi­tée ( boî­tier TSOT-23 de 3 mm de cô­té), of­frant une pro­tec­tion de ± 15 kV contre les dé­charges élec­tro­sta­tiques. Pour le cô­té ré­cep­tion, la so­cié­té pro­pose la sé­rie XR33180/1/3/4. On peut glo­ba­le­ment clas­ser les trans­cei­vers RS-485 en deux grandes ca­té­go­ries. D’un cô­té, les cir­cuits tra­di­tion­nels non iso­lés. De l’autre, ceux of­frant une bar­rière d’iso­la­tion gal­va­nique entre la par­tie émis­sion/ ré­cep­tion et l’in­ter­face de ni­veau lo­gique.

Une ro­bus­tesse à toute épreuve

Pour ce qui est de la pre­mière ca­té­go­rie, Maxim a in­tro­duit l’an der­nier les MAX22500E (half-du­plex) et MAX22502E (full-du­plex), des trans­cei­vers RS-485/RS-422, no­tam­ment des­ti­nés aux ap­pli­ca­tions de contrôle de mou­ve­ment (dé­pla­ce­ment et po­si­tion­ne­ment d’axe) de pré­ci­sion. Ces cir­cuits offrent une fonc­tion de pré­ac­cen­tua­tion ajus­table (via une ré­sis­tance ex­terne), afin de pré­ser­ver l’in­té­gri­té des don­nées. Et ce­ci grâce à la ré­duc­tion des in­ter­fé­rences in­ter­sym­boles im­pu­tables aux lignes de grande lon­gueur, dont la bande pas­sante li­mi­tée a pour ef­fet d’at­té­nuer le conte­nu haute fré­quence des s i gnaux t r a ns­mis. Les MAX22500E et MAX22502E sont aptes à sou­te­nir un dé­bit éle­vé, soit 100 Mbit/s sur une por­tée de 50 m (50 Mbit/s sur 100m) avec un câble de ca­té­go­rie 5e (Cat-5e), avec un dia-

gramme de l’oeil re­la­ti­ve­ment ou­vert. Ces puces, comme d’autres, sont l’illus­tra­tion des pro­grès réa­li­sés au fil du temps. Ef­fec­ti­ve­ment, si l’on s’en ré­fère aux ori­gines du stan­dard, ce­lui-ci évo­quait une por­tée de 1200m et un dé­bit de 10 Mbit/s. Étant en­ten­du que ces deux pa­ra­mètres ne pou­vaient pas être si­mul­ta­né­ment ob­te­nus. Une règle em­pi­rique sti­pu­lait que le pro­duit du dé­bit (en bits par se­conde) et de la dis­tance (en mètres) ne de­vait pas ex­cé­der 108. En pra­tique, les 10 Mbit/ s en ques­tion n’étaient at­teints que sur des dis­tances as­sez courtes, de l’ordre d’une di­zaine de mètres. Ro­bustes, les MAX22500E et MAX22502E sont ca­rac­té­ri­sés par une plage de mode com­mun (CMR, Com­mon-Mode

Range) de -15 V à +15 V( la nor­meRS-485spé ci fie-7Và + 12V). Ils sont pro­té­gés contre les dé­charges élec­tro­sta­tiques (DES) à hau­teur de ± 15kV sur un mo­dèle du corps hu­main (HBM, Hu­man Bo­dy Mo­del), de ± 7 kV (dé­charge dans l’air, se­lon IEC 61000-4-2) et de ± 6 kV (dé­charge au contact, se­lon IEC 61000-4-2). Par ailleurs, ils offrent une pro­tec­tion contre les in­ser­tions à chaud ( hot-swap) et une fonc­tion de sé­cu­ri­té ga­ran­tis­sant un ni­veau lo­gique « 1 » en sor­tie du ré­cep­teur, lorsque ses en­trées sont en court-cir­cuit ou en cir­cuit ou­vert pen­dant une du­rée ex­cé­dant 10μs. La so­cié­té pro­pose éga­le­ment une ver­sion éco­no­mique (le MAX22501E), am­pu­tée de la cel­lule de pré­ac­cen­tua­tion. De son cô­té, Ana­log de­vices a éga­le­ment lan­cé l’an der­nier deux émet­teurs-ré­cep­teurs RS-485 à 50 Mbit/s pour les en­vi­ron­ne­ments dif­fi­ciles. Les ap­pli­ca­tions mi­li­taires et avio­niques, l’au­to­ma­ti­sa­tion in­dus­trielle et le contrôle mo­teur sont no­tam­ment concer­nés. Ré­fé­ren­cés ADM3065E et ADM3066E, ces trans­cei­vers se­mi-du­plex ga­ran­tissent une pro­tec­tion contre les DES à hau­teur de ± 12kV, que ce soit par dé­charge dans l’air ou au contact, au ni­veau des broches du bus. Et ce con­for­mé­ment à la norme IEC 61000-4-2. La pro­tec­tion in­trin­sèque contre les en­trées flot­tantes (câble dé­con­nec­té), les cir­cuits ou­verts et les courts-cir­cuits est éga­le­ment de mise, afin de consti­tuer une so­lu­tion de grande ro­bus­tesse contre les aléas ren­con­trés dans le monde réel. En­fin, un fonc­tion­ne­ment sans er­reur est ga­ran­ti lors­qu’une carte est in­sé­rée dans un fond de pa­nier ali­men­té. Les ADM3065E et ADM3066E sont sus­cep­tibles d’être in­té­grés dans les ré­seaux met­tant en oeuvre des pro­to­coles tels que Pro­fi­bus, BAC­net et Mod­bus. Ils fonc­tionnent à par­tir d’une ten­sion d’ali­men­ta­tion com­prise entre 3 V et 5,5 V. L’ADM3066E in­tègre en sus un trans­la­teur de ni­veaux lo­giques. Ce qui lui per­met de s’ac­co­ler di­rec­te­ment à un pro­ces­seur ou à un FPGA fonc­tion­nant sous 1,8 V.

Dif­fé­rentes mé­thodes pour iso­ler gal­va­ni­que­ment

Du fait de la lon­gueur par­fois im­por­tante des dis­tances de com­mu­ni­ca­tion, il est usuel de consta­ter une grande dif­fé­rence entre les potentiels de ré­fé­rence (terre, masse) de deux ap­pa­reils re­liés. La sé­pa­ra­tion gal­va­nique a pour ef­fet de rompre les boucles de masse et d’évi­ter que la ten­sion de mode com­mun ne dé­passe les seuils au­to­ri­sés. Faire ap­pel à un trans­cei­ver iso­lé s’avère, à bien des égards, plus avan­ta­geux, en termes de coût, de com­plexi­té de concep­tion et d’en­com­bre­ment sur le cir­cuit im­pri­mé, qu’une so­lu­tion à base de pho­to­cou­pleurs. Pour bé­né­fi­cier de cette iso­la­tion gal­va­nique, dif­fé­rentes mé­thodes sont adop­tées. Ain­si, NVE et In­ter­sil ( Re­ne­sas au­jourd’hui) ex­ploitent l’ef­fet GMR (Giant Ma­gne­to­re­sis­tance, ma­gné­tor ésis­tance géante). Par exemple, le trans­cei­ver à 40 Mbits/s ISL32741E du der­nier ci­té af­fiche une iso­la­tion ren­for­cée de 6000Veff (VDE V 0884-10, UL 1577), pour une ten­sion de tra­vail de 1000Veff. La bar­rière, consti­tuée d’un ma­té­riau com­po­site po­ly­mè­re­cé­ra­mique, est vir­tuel­le­ment in­des­truc­tible (sa du­rée de vie est don­née pour 44 000 ans !). Par­mi les autres ca­rac­té­ris­tiques du cir­cuit : une im­mu­ni­té de 50 kV/μs en va­leur ty­pique (30 kV/μs en va­leur mi­ni­male) aux tran­si­toires de mode com­mun (CMTI, Com­mon-Mode Tran­sient Im­mu ni­ty) et une pro­tec­tion de ± 15 kV (dé­charge dans l’air se­lon IEC 61000-4-2) et ± 8 kV (dé­charge au contact) vis-à-vis des dé­charges élec­tro­sta­tiques. Le cir­cuit est pro­po­sé dans un boî­tier SOIC élar­gi afin de res­pec­ter une dis­tance d’iso­le­ment (« cree­page » dans le jar­gon an­glo- saxon) de 8mm. Pour sa part, Ana­log De­vices met à pro­fit une tech­no­lo­gie de cou­plage ma­gné­tique pro­prié­taire, dite iCou­pler, fai­sant ap­pel à des mi­cro-trans­for­ma­teurs Mems réa­li­sés sur un sub­strat Cmos. D’autres comme Maxim et Texas Ins­tru­ments pri­vi­lé­gient une approche ca­pa­ci­tive. Afin de sim­pli­fier la tâche des concep­teurs, une op­tion in­té­res­sante consiste à ajou­ter une ali­men­ta­tion, elle aus­si iso­lée. Une pra­tique re­te­nue par Ana­log De­vices dans quelques pro­duits, qui in­tègrent un conver­tis­seur DC-DC « IsoPo­wer » pour ali­men­ter la par­tie émis­sion/ré­cep­tion pro­pre­ment dite. Cer­tains cir­cuits de Maxim in­cluent quant à eux un ré­gu­la­teur de ten­sion li­néaire (LDO) voire, en sus, un dri­ver en push-pull pour pi­lo­ter un transf or­ma­teur d’ali­men­ta­tion ex­terne.

≥ Les ISL32740E et ISL32741E d’In­ter­sil/ Re­ne­sas: des trans­cei­vers RS- 485 à 40Mbit/ s of­frant une iso­la­tion ren­for­cée.

< Fonc­tion­nant en mode se­mi­du­plex jus­qu’à 50 Mbit/ s, les ADM3065E et ADM3066E d’Ana­log De­vices sont conçus pour les en­vi­ron­ne­ments dif­fi­ciles.

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