En las aplicaciones de control de redes industriales, acondicionamiento de alimentación y comunicación punto a punto entre ordenadores, los datos se envían a través del bus de comunicación serie para diversos tipos de redes físicas, como RS232, RS485 y redes de área de controladores (CAN). Cada sistema interconectado suele tener su propia fuente de alimentación, y los sistemas suelen estar muy separados entre sí, por lo que a menudo se requiere aislamiento galvánico para romper los bucles de tierra, proteger el sistema de transitorios de alta tensión y reducir la distorsión de la señal.
aislamiento
Los transformadores, los condensadores de acoplamiento y los optoacopladores (ahora denominados «i-acopladores») son métodos habituales para proporcionar aislamiento galvánico, lo que impide que la corriente fluya entre dos puntos al tiempo que permite que los datos pasen sin obstáculos (Figura 1). El aislamiento se utiliza para proteger contra altas tensiones o corrientes provocadas por picos de tensión en la línea o bucles de tierra, que pueden producirse en cualquier sistema con múltiples vías de conexión a tierra. Las tomas de tierra de los sistemas separadas por cables largos no tendrán el mismo potencial, por lo que fluirá corriente de tierra entre los dos sistemas. Sin aislamiento, esta corriente puede introducir ruido, degradar la calidad de las mediciones o incluso destruir componentes del sistema.
Las corrientes que se transmiten a los cables largos en entornos industriales debido al encendido y apagado de motores, a descargas electrostáticas (ESD) o a impactos de rayos cercanos pueden provocar cambios rápidos en el potencial de tierra, que a menudo alcanzan valores de cientos o miles de voltios. Cuando esto ocurre, la señal de conmutación de nivel lógico que espera el sistema remoto se superpone a una tensión elevada en relación con su tierra local. Sin aislamiento, esta tensión podría alterar la señal o dañar el sistema. La conexión a tierra de todos los dispositivos conectados al bus protege al sistema de esta energía dañina, y el aislamiento de dichos dispositivos evita los bucles de tierra y las sobretensiones.
Para aislar completamente el sistema, es necesario aislar todas las líneas de señal y las fuentes de alimentación. Los convertidores CC-CC aislados proporcionan aislamiento de la alimentación, mientras que los aisladores digitales iCoupler proporcionan aislamiento de la señal.
tecnología de acoplamientos
A diferencia de los fotodiodos utilizados en los dispositivos electrónicos (ED) y los optoacopladores, los aisladores acopladores se basan en acopladores magnéticos de transformador a escala de chip (Figura 2). Los transformadores planos utilizan una capa metálica CMOS junto con una capa de oro situada sobre una capa de pasivación. Una capa de poliimida de alta resistencia a la ruptura, situada debajo de la capa de oro, aísla la bobina superior del transformador de la inferior. Los circuitos CMOS de alta velocidad conectados a las bobinas superior e inferior proporcionan la interfaz entre cada transformador y sus señales externas. El procesamiento a nivel de oblea ofrece un método de bajo coste para integrar múltiples canales de aislamiento, así como otras funciones semiconductoras, en un único encapsulado. La tecnología de acopladores en I elimina las relaciones de transferencia de corriente inciertas, las funciones de transferencia no lineales y la deriva (con el tiempo y la temperatura) asociadas a los optoacopladores; reduce el consumo de energía hasta en un 90%; y no requiere controladores externos ni dispositivos discretos.
Los circuitos del lado primario del transformador codifican las transiciones lógicas de entrada en pulsos de 1 ns, que a continuación se transmiten a través del transformador. Tal y como se muestra en la figura 3, los circuitos del lado secundario los detectan y recrean la señal de entrada, y los circuitos de actualización del lado de entrada garantizan que el estado de salida coincida con el de entrada, incluso si no hay ninguna transición de entrada. Esto es importante en condiciones de encendido y para formas de onda de entrada con bajas velocidades de datos o entrada de CC constante.
Dado que el objetivo de un producto i-coupler es aislar la entrada de la salida, los circuitos de un lado del transformador deben estar integrados en un chip distinto al que contiene los circuitos del otro lado del transformador. El transformador en sí puede colocarse en cualquiera de los dos chips, o bien en un tercer chip, como el ADuM140x que se muestra en la figura 4. Todo el conjunto de chips se integra en un encapsulado de plástico estándar, similar a los que se utilizan para diversos dispositivos semiconductores.
Una característica novedosa de los dispositivos iCoupler es su capacidad para combinar canales de transmisión y recepción en un mismo encapsulado. El propio transformador de acoplamiento en I es bidireccional, por lo que las señales pueden circular en cualquier dirección siempre que se disponga de la circuitería adecuada a cada lado del transformador. De este modo, los aisladores multicanal ofrecen múltiples configuraciones de canales de transmisión y recepción.
bus de comunicación en serie
Las especificaciones RS-232 (EIA232) y RS-485 (EIA/TIA485) definen únicamente la capa física, lo que permite a los usuarios o a otras normas que especifican su uso en la capa física definir los protocolos de señalización. Por otro lado, el bus CAN define tanto la capa física como la capa de enlace de datos.
RS-232: El estándar de bus RS-232 es uno de los buses de comunicación en serie más populares y se definió originalmente en 1962 para la comunicación entre ordenadores y módems. Su sencillez, flexibilidad y su larga trayectoria de uso satisfactorio hacen que siga utilizándose ampliamente como enlace de comunicación entre sistemas, lo que explica su continua popularidad. Diseñado para comunicaciones punto a punto, utiliza dos líneas dedicadas no simétricas de un solo extremo, junto con una señal referenciada a tierra, para proporcionar comunicaciones full-duplex.
Las velocidades de transmisión de datos están limitadas a 20 kbps, o a 64 kbps en las variantes de bajo voltaje. La capacitancia máxima de carga de 2500 pF y la impedancia de carga de entre 3 kohm y 7 kohm limitan la longitud máxima práctica del cable a unos 16 metros. La norma RS-232 especifica un nivel de salida del controlador de entre –5 V y –15 V para el 1 lógico, un nivel de salida del controlador de entre 5 V y –15 V para el 0 lógico, y un nivel de entrada del receptor de entre –3 V y –15 V para el 1 lógico. , mientras que el 3 lógico es de 3 V. El 0 lógico es de 15 V. Las tensiones entre –3 V y 3 V no están definidas. La amplia oscilación de tensión y la región de incertidumbre garantizan una alta inmunidad al ruido y permiten recibir niveles de señal efectivos a través de cables más largos.
La especificación RS-232 define la disposición de pines de un conector tipo D de 25 pines con 20 líneas de señal, aunque lo más habitual es un conector de 9 pines con 8 líneas de señal, tal y como se muestra en la figura 5. Se utiliza un cable en cada dirección para la transmisión de datos; los cables restantes están destinados al protocolo de comunicación. En su forma más sencilla, el RS-232 solo requiere tres cables: Tx (transmisión de datos), Rx (recepción de datos) y GND (tierra). En el conector de 25 pines se define una toma de tierra de protección para la seguridad del equipo. Este cable suele conectarse a la toma de tierra de la alimentación o a la del chasis, y no debe conectarse a la toma de tierra de señal ni entre sistemas.
El estándar RS-232 divide los equipos en dos categorías: DCE (equipo de comunicación de datos) y DTE (equipo terminal de datos). Estos nombres son un vestigio de su origen en el ámbito de los ordenadores y los módems. En la actualidad, estos términos solo definen qué cables están conectados como entradas y cuáles como salidas.
El RS-232 se utiliza a menudo para conectar varios sistemas, por lo que el aislamiento entre cada sistema y el bus es fundamental. Los aisladores digitales no son compatibles con el estándar RS-232 y, por lo tanto, no pueden utilizarse entre el transceptor y el cable; en su lugar, se utilizan entre el transceptor y el sistema local. El lado del sistema del transceptor suele conectarse a un receptor/transmisor asíncrono universal (UART) o a un procesador utilizando niveles lógicos de 0 V a 3 V o de 0 V a 5 V. Dado que los aisladores de acoplamiento de circuitos de entrada y salida de la serie «i» están aislados eléctricamente entre sí, pueden colocarse entre el UART y el transceptor, lo que constituye una forma sencilla de aislar el sistema del cable. Para completar el aislamiento, se utiliza un convertidor CC-CC aislado para alimentar el aislador y el transceptor. La combinación del aislador digital de acoplador de tipo «I» ADuM1402, el transceptor RS-232 ADM232L y la fuente de alimentación aislada, tal y como se muestra en la figura 6, evita los bucles de tierra y proporciona una protección eficaz contra los daños por sobretensión.
RS-485: El estándar RS-485 está diseñado para controlar hasta 32 pares de transmisores y receptores. Su versatilidad y su capacidad para cubrir distancias de hasta 4.000 metros lo convierten en una opción muy popular en una amplia gama de aplicaciones, especialmente en sistemas de interconexión a muy larga distancia. La comunicación RS-485 se utiliza tanto en el protocolo SCSI (Small Computer System Interface) como en el protocolo PROFIBUS.
Las longitudes de cable disponibles dependen de los requisitos de velocidad de datos, con combinaciones de velocidad y longitud que van desde los 200 kbps a 1.200 metros hasta los 12 Mbps a 100 metros. Mediante la señalización diferencial equilibrada, el controlador RS-485 envía datos a través de dos líneas de salida. El receptor determina el estado lógico comparando las dos señales. Una caída de tensión superior a 200 mV proporciona niveles lógicos válidos. Los amplificadores diferenciales del controlador y del receptor controlan el flujo de corriente entre las líneas de señal. Presenta una mayor inmunidad al ruido en comparación con soluciones de un solo extremo, como la RS-232.
Una función de habilitación permite que los controladores se pongan en un estado de alta impedancia; por lo tanto, varios controladores pueden compartir un bus sin conflictos. Este protocolo de software define un árbitro de bus que mantiene inactivos a todos los controladores, excepto uno, en todo momento y permite que hasta 32 controladores compartan la línea. En la figura 7 se muestra una configuración bidireccional semidúplex de dos hilos. Cada nodo contiene un controlador y un receptor, y todos comparten el mismo cable de par trenzado de dos hilos. Aunque esto simplifica la instalación y reduce los costes, limita el rendimiento máximo. Una configuración de 4 hilos en modo full-duplex (en la que un nodo actúa como maestro y los demás como esclavos) es más compleja, pero ofrece mayores velocidades de transmisión de datos.
Dado que el RS-485 se utiliza a menudo para conectar varios sistemas, el aislamiento entre cada sistema y el bus es fundamental. Al igual que en el caso del RS-232, los aisladores digitales no son compatibles con el estándar RS-485 y, por lo tanto, no pueden utilizarse entre el transceptor y el cable. En su lugar, se utilizan entre el transceptor y el sistema local. El lado del sistema del transceptor suele conectarse a un bus local o a un procesador. Dado que los circuitos de entrada y salida de un aislador i-coupler están aislados eléctricamente entre sí, insertar uno entre el procesador y el transceptor es una forma sencilla de aislar el sistema del cable. Para completar el aislamiento, se utiliza un convertidor CC-CC aislado para alimentar el aislador y el transceptor. La combinación del aislador digital i-coupler ADuM1301 y la fuente de alimentación aislada que se muestra en la figura 8 elimina los bucles de tierra y proporciona una protección eficaz contra los daños por sobretensiones.
Bus CAN: Desarrollado originalmente para aplicaciones de automoción, el estándar del bus CAN especifica un protocolo de comunicación serie de dos hilos que permite velocidades de transmisión de datos de hasta 1 Mbps, un máximo de 30 nodos y una longitud máxima de cable de 40 metros. Transmite datos asíncronos en forma de tramas que incluyen bits de inicio y de parada, campos de arbitraje, campos de control, campos de comprobación de redundancia cíclica (CRC) y campos de acuse de recibo. Cada nodo puede escuchar y transmitir al mismo tiempo, por lo que una de las características más importantes del protocolo es su arbitraje de bits sin pérdidas, que garantiza que no se pierda ningún dato. Cada nodo transmite un bit primario de inicio de mensaje (SOM) al comienzo de cada mensaje. Los demás nodos detectarán esta actividad y no intentarán iniciar la transmisión hasta que el mensaje se haya completado. A continuación, se envía el campo de arbitraje de 11 o 29 bits. También denominado «identificador», este campo establece la prioridad de los mensajes enviados por el bus. El nodo de mayor prioridad siempre controla el bus, mientras que los nodos de menor prioridad esperan. Este arbitraje sin pérdidas garantiza que los mensajes de mayor prioridad siempre se transmitan.
Como se muestra en la figura 10, el bus CAN utiliza una interfaz diferencial equilibrada de dos hilos que suele funcionar a 3 V o 5 V. Se emplea la codificación «sin retorno a cero» (NRZ) para garantizar mensajes compactos con un número mínimo de transiciones y una alta inmunidad al ruido. El transceptor del bus CAN utiliza un par de dispositivos de drenaje abierto para generar una señal diferencial desde CANH (V CC – 0,9 V) hasta CANL (1,5 V). Cuando se activa, el transmisor produce una señal dominante que representa un nivel lógico bajo. Cuando no se activa ningún transmisor, la resistencia de pull-up establece el bus en V CC /2, produciendo una señal recesiva que representa un nivel lógico alto. Un control de respaldo pone al transceptor en modo de bajo consumo. El receptor de bajo consumo permanece activo en modo de espera, supervisa los cambios de estado del bus y envía una señal al controlador para que active el nodo local cuando se detecte actividad.
Al igual que los protocolos RS-232 y RS-485, los aisladores digitales no son compatibles con el estándar de bus CAN y, por lo tanto, no pueden utilizarse entre el transceptor y el cable. En su lugar, utilice niveles lógicos estándar de 3 V o 5 V entre el transceptor y el controlador CAN local. Dado que los circuitos de entrada y salida de un aislador i-coupler están aislados eléctricamente entre sí, una forma sencilla de aislar un sistema de los cables es insertar un aislador entre el procesador y el transceptor. Para completar el aislamiento, se utiliza un convertidor CC-CC aislado para alimentar el aislador y el transceptor. La combinación de aisladores digitales i-Coupler y fuentes de alimentación aisladas (como se muestra en la figura 11) elimina los bucles de tierra y proporciona una protección eficaz contra los daños por sobretensión.
Palabras clave: DTU, transmisión transparente de datos
