Dans les applications de contrôle des réseaux industriels, de conditionnement de l'alimentation et de communication point à point entre ordinateurs, les données sont transmises sur le bus de communication série de différents types de réseaux physiques, tels que les réseaux RS232, RS485 et les réseaux de contrôleurs (CAN). Chaque système interconnecté dispose généralement de sa propre alimentation électrique, et les systèmes étant souvent éloignés les uns des autres, une isolation galvanique est fréquemment nécessaire pour couper les boucles de masse, protéger le système contre les transitoires haute tension et réduire la distorsion du signal.
isolement
Les transformateurs, les condensateurs de couplage et les optocoupleurs (désormais appelés « i-coupleurs ») constituent des méthodes courantes pour assurer une isolation galvanique, empêchant ainsi le passage du courant entre deux points tout en permettant aux données de circuler sans entrave (figure 1). L'isolation sert à protéger contre les tensions ou courants élevés provoqués par des surtensions de ligne ou des boucles de masse, qui peuvent se produire dans tout système comportant plusieurs chemins vers la masse. Les mises à la terre des systèmes séparés par de longs câbles ne se trouvent pas au même potentiel ; un courant de terre circule donc entre les deux systèmes. Sans isolation, ce courant peut introduire du bruit, dégrader la qualité des mesures, voire détruire des composants du système.
Les courants induits dans les longs câbles en milieu industriel par la mise en marche et l'arrêt des moteurs, les décharges électrostatiques (ESD) ou les coups de foudre à proximité peuvent provoquer des variations rapides du potentiel de terre, pouvant souvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de volts. Lorsque cela se produit, le signal de commutation de niveau logique attendu par le système distant se superpose à une haute tension par rapport à sa masse locale. Sans isolation, cette tension pourrait perturber le signal ou endommager le système. La mise à la terre de tous les appareils connectés au bus protège le système contre cette énergie nuisible, et l'isolation de ces appareils empêche la formation de boucles de masse et de surtensions.
Pour isoler complètement le système, toutes les lignes de signal et les alimentations électriques doivent être isolées. Les convertisseurs CC-CC isolés assurent l'isolation de l'alimentation, tandis que les isolateurs numériques iCoupler assurent l'isolation des signaux.
technologie des raccords
Contrairement aux photodiodes utilisées dans les dispositifs électroniques (ED) et les optocoupleurs, les isolateurs-coupleurs reposent sur des coupleurs magnétiques à transformateur à l'échelle de la puce (figure 2). Les transformateurs planaires utilisent une couche métallique CMOS ainsi qu'une couche d'or placée au-dessus d'une couche de passivation. Une couche de polyimide à haute tension de claquage, située sous la couche d’or, isole la bobine supérieure du transformateur de la bobine inférieure. Des circuits CMOS à haute vitesse, connectés aux bobines supérieure et inférieure, assurent l’interface entre chaque transformateur et ses signaux externes. Le traitement au niveau de la plaquette offre une méthode peu coûteuse pour intégrer plusieurs canaux d’isolation ainsi que d’autres fonctions semi-conductrices dans un seul boîtier. La technologie des coupleurs en I élimine les rapports de transfert de courant incertains, les fonctions de transfert non linéaires et la dérive (dans le temps et en fonction de la température) associées aux optocoupleurs ; elle réduit la consommation d’énergie jusqu’à 90% et ne nécessite aucun pilote externe ni aucun composant discret.
Le circuit situé du côté primaire du transformateur convertit les transitions logiques d'entrée en impulsions de 1 ns, qui sont ensuite transmises via le transformateur. Comme le montre la figure 3, les circuits situés du côté secondaire les détectent et reconstituent le signal d’entrée, tandis que les circuits de rafraîchissement situés du côté entrée garantissent que l’état de sortie correspond à l’état d’entrée, même en l’absence de transition d’entrée. Ceci est important dans les conditions de mise sous tension et pour les formes d’onde d’entrée à faibles débits de données ou en présence d’une entrée CC constante.
Étant donné que l'objectif d'un produit de type « i-coupler » est d'isoler l'entrée de la sortie, les circuits situés d'un côté du transformateur doivent être intégrés à une puce distincte de celle contenant les circuits situés de l'autre côté du transformateur. Le transformateur lui-même peut être intégré à l’une ou l’autre de ces puces, ou encore à une troisième puce, telle que l’ADuM140x illustrée à la figure 4. L’ensemble du chipset est assemblé dans un boîtier en plastique standard, similaire à ceux utilisés pour divers dispositifs à semi-conducteurs.
L'une des particularités des dispositifs iCoupler réside dans leur capacité à combiner des canaux d'émission et de réception au sein d'un même boîtier. Le transformateur de couplage en I étant lui-même bidirectionnel, les signaux peuvent circuler dans les deux sens à condition que les circuits appropriés soient présents de chaque côté du transformateur. De cette manière, les isolateurs multicanaux offrent de multiples configurations de canaux d'émission/réception.
bus de communication série
Les spécifications RS-232 (EIA232) et RS-485 (EIA/TIA485) ne définissent que la couche physique, laissant aux utilisateurs ou à d'autres normes qui en précisent l'utilisation au niveau de la couche physique le soin de définir les protocoles de signalisation. En revanche, le bus CAN définit à la fois la couche physique et la couche liaison de données.
RS-232 : La norme de bus RS-232 est l'une des normes de communication série les plus répandues ; elle a été initialement définie en 1962 pour permettre la communication entre les ordinateurs et les modems. Sa simplicité, sa flexibilité et sa longue histoire d'utilisation réussie en font encore aujourd'hui un moyen de communication inter-systèmes très répandu, ce qui explique sa popularité persistante. Conçu pour les communications point à point, il utilise deux lignes asymétriques dédiées à une seule extrémité, associées à un signal référencé à la masse, afin d'assurer des communications en duplex intégral.
Les débits de données sont limités à 20 kbps, ou à 64 kbps dans les variantes à basse tension. La capacité de charge maximale de 2 500 pF et l'impédance de charge comprise entre 3 kohms et 7 kohms limitent la longueur maximale pratique du câble à environ 16 mètres. La norme RS-232 spécifie un niveau de sortie du circuit d'attaque compris entre –5 V et –15 V pour le niveau logique 1, un niveau de sortie du circuit d'attaque compris entre 5 V et –15 V pour le niveau logique 0, et un niveau d'entrée du récepteur compris entre –3 V et –15 V pour le niveau logique 1. , tandis que le niveau logique 3 est de 3 V. Le niveau logique 0 est de 15 V. Les tensions comprises entre –3 V et 3 V ne sont pas définies. La large plage de tension et la zone d’incertitude garantissent une immunité élevée au bruit et permettent de recevoir des niveaux de signal efficaces sur des câbles plus longs.
La spécification RS-232 définit le brochage d'un connecteur de type D à 25 broches comportant 20 lignes de signal, mais on utilise plus couramment un connecteur à 9 broches avec 8 lignes de signal, comme le montre la figure 5. Un fil est utilisé dans chaque sens pour la transmission des données ; les fils restants sont réservés au protocole de communication. Dans sa forme la plus simple, la norme RS-232 ne nécessite que trois fils : Tx (émission de données), Rx (réception de données) et GND (masse). Une masse de protection, assurant la sécurité des équipements, est prévue dans le connecteur à 25 broches. Ce fil est généralement relié à la masse d'alimentation ou à la masse du châssis et ne doit pas être connecté à la masse de signal ni entre les systèmes.
La norme RS-232 classe les équipements en deux catégories : les DCE (équipements de communication de données) et les DTE (équipements terminaux de données). Ces appellations trouvent leur origine dans le domaine de l'informatique et des modems. Aujourd'hui, ces termes servent uniquement à définir quels fils sont connectés en entrée et lesquels sont connectés en sortie.
La norme RS-232 est souvent utilisée pour connecter plusieurs systèmes ; l'isolation entre chaque système et le bus est donc essentielle. Les isolateurs numériques ne prennent pas en charge la norme RS-232 et ne peuvent donc pas être utilisés entre l'émetteur-récepteur et le câble ; ils sont plutôt utilisés entre l'émetteur-récepteur et le système local. Du côté du système, l’émetteur-récepteur se connecte généralement à un récepteur/émetteur asynchrone universel (UART) ou à un processeur utilisant des niveaux logiques compris entre 0 V et 3 V ou entre 0 V et 5 V. Comme les isolateurs de couplage des circuits d’entrée et de sortie de la série « i » sont isolés électriquement les uns des autres, ils peuvent être placés entre l’UART et l’émetteur-récepteur, ce qui constitue un moyen simple d’isoler le système du câble. Pour parachever l’isolation, un convertisseur CC-CC isolé est utilisé pour alimenter l’isolateur et l’émetteur-récepteur. La combinaison de l’isolateur numérique à coupleur en « I » ADuM1402, de l’émetteur-récepteur RS-232 ADM232L et d’une alimentation isolée, comme illustré à la figure 6, évite les boucles de masse et offre une protection efficace contre les dommages causés par les surtensions.
RS-485 : La norme RS-485 est conçue pour piloter jusqu'à 32 paires d'émetteurs et de récepteurs. Sa polyvalence et sa capacité à prendre en charge des câbles pouvant atteindre 4 000 mètres en font une solution très prisée dans un large éventail d'applications, notamment dans les systèmes d'interconnexion sur de très longues distances. La communication RS-485 est utilisée à la fois dans les protocoles SCSI (Small Computer System Interface) et PROFIBUS.
Les longueurs de câble disponibles dépendent des exigences en matière de débit de données, les combinaisons débit/longueur allant de 200 kbps à 1 200 mètres à 12 Mbps à 100 mètres. Grâce à une transmission différentielle symétrique, le circuit d'attaque RS-485 transmet les données via deux lignes de sortie. Le récepteur détermine l’état logique en comparant les deux signaux. Une chute de tension supérieure à 200 mV fournit des niveaux logiques valides. Des amplificateurs différentiels intégrés au pilote et au récepteur contrôlent le flux de courant entre les lignes de signal. Cette technologie offre une meilleure immunité au bruit que les solutions asymétriques telles que la norme RS-232.
Une fonction d'activation permet de placer les pilotes dans un état de haute impédance ; ainsi, plusieurs pilotes peuvent partager un bus sans conflit d'accès. Ce protocole logiciel définit un arbitre de bus qui maintient tous les pilotes, sauf un, inactifs à tout moment et permet à un maximum de 32 pilotes de partager la ligne. La figure 7 illustre une configuration bidirectionnelle semi-duplex à 2 fils. Chaque nœud contient un émetteur et un récepteur, qui partagent tous le même câble à paire torsadée à 2 fils. Si cela simplifie l’installation et réduit les coûts, cela limite toutefois le débit maximal. Une configuration full-duplex à 4 fils (utilisant un nœud comme maître et les nœuds restants comme esclaves) est plus complexe mais offre des débits de données plus élevés.
La norme RS-485 étant souvent utilisée pour relier plusieurs systèmes, l'isolation entre chaque système et le bus est essentielle. À l'instar de la norme RS-232, les isolateurs numériques ne prennent pas en charge la norme RS-485 et ne peuvent donc pas être utilisés entre l'émetteur-récepteur et le câble. Ils sont en revanche utilisés entre l'émetteur-récepteur et le système local. Le côté « système » de l’émetteur-récepteur est généralement connecté à un bus local ou à un processeur. Les circuits d’entrée et de sortie d’un isolateur de type « i-coupler » étant électriquement isolés l’un de l’autre, en insérer un entre le processeur et l’émetteur-récepteur constitue un moyen simple d’isoler le système du câble. Pour parachever l’isolation, un convertisseur CC-CC isolé est utilisé pour alimenter l’isolateur et l’émetteur-récepteur. La combinaison de l’isolateur numérique i-coupler ADuM1301 et de l’alimentation isolée illustrée à la figure 8 élimine les boucles de masse et offre une protection efficace contre les dommages causés par les surtensions.
Bus CAN : Développée à l'origine pour les applications automobiles, la norme CAN définit un protocole de communication série à deux fils permettant des débits de données allant jusqu'à 1 Mbps, prenant en charge jusqu'à 30 nœuds et offrant une longueur de câble maximale de 40 mètres. Il transmet des données asynchrones sous forme de trames comprenant des bits de départ et d’arrêt, des champs d’arbitrage, des champs de contrôle, des champs de contrôle de redondance cyclique (CRC) et des champs d’accusé de réception. Chaque nœud peut écouter et émettre simultanément ; l’une des caractéristiques les plus importantes du protocole est donc son arbitrage binaire sans perte, qui garantit qu’aucune donnée n’est perdue. Chaque nœud transmet un bit de début de message (SOM) primaire au début de chaque message. Les autres nœuds détectent cette activité et n’essaient pas de commencer la transmission tant que le message n’est pas terminé. Ensuite, le champ d’arbitrage de 11 ou 29 bits est envoyé. Également appelé « identifiant », ce champ établit la priorité des messages envoyés sur le bus. Le nœud ayant la priorité la plus élevée contrôle toujours le bus, tandis que les nœuds de priorité inférieure attendent. Cet arbitrage sans perte garantit que les messages ayant la priorité la plus élevée passent toujours en premier.
Comme le montre la figure 10, le bus CAN utilise une interface différentielle symétrique à deux fils qui fonctionne généralement à 3 V ou 5 V. Le codage « non-retour-à-zéro » (NRZ) est utilisé pour garantir des messages compacts avec un nombre minimal de transitions et une immunité élevée au bruit. L'émetteur-récepteur du bus CAN utilise une paire de dispositifs à drain ouvert pour générer un signal différentiel allant de CANH (V_(CC) – 0,9 V) à CANL (1,5 V). Lorsqu’il est activé, l’émetteur produit un signal dominant qui représente un niveau logique bas. Lorsqu’aucun émetteur n’est activé, la résistance de pull-up met le bus à V_(CC)/2, produisant un signal récessif qui représente un niveau logique haut. Une commande de secours place l’émetteur-récepteur en mode basse consommation. Le récepteur à faible consommation reste actif en mode veille, surveille les changements d’état du bus et signale au contrôleur d’activer le nœud local lorsqu’une activité est détectée.
Tout comme les interfaces RS-232 et RS-485, les isolateurs numériques ne prennent pas en charge la norme de bus CAN et ne peuvent donc pas être utilisés entre l'émetteur-récepteur et le câble. Il convient plutôt d’utiliser des niveaux logiques standard de 3 V ou 5 V entre l’émetteur-récepteur et le contrôleur CAN local. Les circuits d’entrée et de sortie d’un isolateur i-Coupler étant électriquement isolés les uns des autres, un moyen simple d’isoler un système des câbles consiste à insérer un isolateur entre le processeur et l’émetteur-récepteur. Pour parachever l’isolation, un convertisseur CC-CC isolé est utilisé pour alimenter l’isolateur et l’émetteur-récepteur. La combinaison d’isolateurs numériques i-Coupler et d’alimentations isolées (illustrée à la figure 11) élimine les boucles de masse et offre une protection efficace contre les dommages causés par les surtensions.
Mots-clés : DTU, transmission transparente des données
