Sygnalizacja r\u00f3\u017cnicowa nie ogranicza si\u0119 tylko do szybkich interfejs\u00f3w, ale jest te\u017c u\u017cywana w komunikacji, kt\u00f3ra powinna by\u0107 jak najbardziej odporna na zak\u0142\u00f3cenia \u2013 nawet w trudnych warunkach pracy jak np. RS-485. W tym kr\u00f3tkim artykule chcia\u0142bym przybli\u017cy\u0107, czym jest przesy\u0142anie sygna\u0142\u00f3w w spos\u00f3b r\u00f3\u017cnicowy, jakie niesie korzy\u015bci oraz jakie stwarza zagro\u017cenia.<\/p>\n\n\n\n
Komunikacja jednostronna<\/h2>\n\n\n\n
Aby poprawnie opisa\u0107, na czym polega przesy\u0142anie danych w spos\u00f3b r\u00f3\u017cnicowy, musimy najpierw zastanowi\u0107 si\u0119, na czym polega przesy\u0142anie danych w \u201etradycyjny\u201d spos\u00f3b. Komunikacja jednostronna (ang. Single-ended), bo to o niej mowa, jest sposobem przesy\u0142ania sygna\u0142u za pomoc\u0105 jednej \u015bcie\u017cki\/jednego przewodu. Zak\u0142adam, \u017ce ka\u017cdy z czytelnik\u00f3w mia\u0142 szans\u0119 si\u0119 z ni\u0105 spotka\u0107.<\/p>\n\n\n\n
Komunikacja single ended jest najprostsz\u0105 i najcz\u0119\u015bciej u\u017cywan\u0105 form\u0105 transmisji sygna\u0142\u00f3w elektrycznych. Przyk\u0142adami interfejs\u00f3w wykorzystuj\u0105cych taki rodzaj komunikacji b\u0119d\u0105 popularne interfejsy cyfrowe, kt\u00f3re prawie zawsze mo\u017cna spotka\u0107 w obr\u0119bie jednego PCB:<\/p>\n\n\n\n
- UART,<\/li>
- SPI,<\/li>
- I2C itp.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
![\"Schemat](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/08\/Ryc.-1.jpg\")
<\/a>Ryc. 1 Schemat komunikacji jednostronnej<\/a><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n Tor komunikacji jednostronnej sk\u0142ada si\u0119 z:<\/p>\n\n\n\n
- nadajnika,<\/li>
- odbiornika,<\/li>
- elektrycznego po\u0142\u0105czenia pomi\u0119dzy nimi.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
Przy takim rodzaju komunikacji sygna\u0142 kodowany jest za pomoc\u0105 napi\u0119cia. Napi\u0119cie to jest mierzone wzgl\u0119dem masy. Oznacza to tyle, \u017ce w przypadku, kiedy chcemy skomunikowa\u0107 ze sob\u0105 dwa urz\u0105dzenia, potrzebujemy przynajmniej dw\u00f3ch przewod\u00f3w \u2013 jednego przenosz\u0105cego sygna\u0142 oraz drugiego, kt\u00f3ry pozwoli na ustalenie wsp\u00f3lnego punktu odniesienia dla tego sygna\u0142u.<\/p>\n\n\n\n
Z czysto teoretycznego punktu widzenia do po\u0142\u0105czenia ze sob\u0105 dw\u00f3ch urz\u0105dze\u0144, kt\u00f3re komunikuj\u0105 si\u0119 ze sob\u0105 za pomoc\u0105 sygnalizacji jednostronnej, potrzebujemy n+1 przewod\u00f3w, gdzie \u201en\u201d to jest liczba przewod\u00f3w sygna\u0142owych, a \u201e1\u201d przew\u00f3d przesy\u0142aj\u0105cy sygna\u0142 odniesienia.<\/p>\n\n\n\n
W praktyce, kiedy kilka linii sygna\u0142owych wsp\u00f3\u0142dzieli jeden przew\u00f3d zerowy, sygna\u0142y te mog\u0105 si\u0119 zak\u0142\u00f3ca\u0107 poprzez spadek napi\u0119cia na przewodzie zerowym. W konsekwencji konieczne mo\u017ce si\u0119 okaza\u0107 do\u0142o\u017cenie dodatkowych przewod\u00f3w masowych. Komunikacja jednostronna jest szczeg\u00f3lnie nara\u017cona na przechwytywanie zak\u0142\u00f3ce\u0144 elektromagnetycznych, kt\u00f3re mog\u0105 uniemo\u017cliwi\u0107 poprawne odczytanie danych przez odbiornik.<\/p>\n\n\n\n
Komunikacja r\u00f3\u017cnicowa<\/h2>\n\n\n\n
Ka\u017cda para r\u00f3\u017cnicowa sk\u0142ada si\u0119 z dw\u00f3ch jednostronnych linii transmisyjnych. To, co czyni takie po\u0142\u0105czenie wyj\u0105tkowym, jest sprz\u0119\u017cenie pomi\u0119dzy tymi liniami. Transmisja r\u00f3\u017cnicowa wykorzystuje dwa komplementarne sygna\u0142y napi\u0119ciowe w celu przes\u0142ania jednego bitu danych. Informacja jest kodowana nie jako poziom napi\u0119cia w przewodniku, ale jako r\u00f3\u017cnica napi\u0119\u0107 pomi\u0119dzy dwoma przewodnikami wyst\u0119puj\u0105cymi w parze. Podczas gdy jeden z przewodnik\u00f3w niesie sygna\u0142 napi\u0119ciowy o danej amplitudzie, drugi z nich przenosi sygna\u0142 o takiej samej amplitudzie, ale przeciwnej polaryzacji.<\/p>\n\n\n\n
![\"Schemat](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/08\/Ryc.-2.jpg\")
<\/a>Ryc. 2 Schemat komunikacji r\u00f3\u017cnicowej<\/a><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n No dobrze, ale zastan\u00f3wmy si\u0119, jakie realne korzy\u015bci niesie takie sprz\u0119\u017cenie dw\u00f3ch linii.<\/p>\n\n\n\n
Pierwsz\u0105 z nich jest t\u0142umienie wsp\u00f3lnych sygna\u0142\u00f3w zak\u0142\u00f3caj\u0105cych, bez konieczno\u015bci stosowania dodatkowych filtr\u00f3w. Wynika to bezpo\u015brednio z tego, \u017ce odebrany sygna\u0142 jest r\u00f3\u017cnic\u0105 sygna\u0142\u00f3w w obu liniach.<\/p>\n\n\n\n
Mo\u017cna zapisa\u0107 to wzorem:<\/p>\n\n\n\n
![\"Wz\u00f3r:](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/08\/wzor.png\")
<\/a><\/figure><\/div>\n\n\n\nWz\u00f3r ten jest prawdziwy tylko wtedy, kiedy obie linie odbieraj\u0105 ten sam poziom zak\u0142\u00f3ce\u0144. Sytuacja taka jest mo\u017cliwa, gdy obie linie s\u0105 bardzo blisko siebie \u2013 jak na przyk\u0142ad w skr\u0119tce ethernetowej.<\/p>\n\n\n\n
Nie oznacza to jednak, \u017ce sygna\u0142y w parach r\u00f3\u017cnicowych s\u0105 odporne na przes\u0142uchy sprz\u0119gaj\u0105ce do linii w obr\u0119bie jednej p\u0142ytki PCB. Je\u015bli dla przyk\u0142adu poprowadzimy par\u0119 r\u00f3\u017cnicow\u0105 w bliskiej odleg\u0142o\u015bci innej \u015bcie\u017cki sygna\u0142owej na tej samej warstwie PCB, zak\u0142\u00f3cenia nie b\u0119d\u0105 jednakowe w obu parach, a w konsekwencji zak\u0142\u00f3cenia nie zostan\u0105 zniwelowane w odbiorniku i mog\u0105 doprowadzi\u0107 do b\u0142\u0119dnych odczyt\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n
Aby temu zapobiec, sygna\u0142y r\u00f3\u017cnicowe musz\u0105 by\u0107 prowadzone z zachowaniem odpowiednich odst\u0119p\u00f3w od innych sygna\u0142\u00f3w na PCB.<\/p>\n\n\n\n
Kolejn\u0105 zalet\u0105, kt\u00f3r\u0105 wykorzystuje si\u0119 g\u0142\u00f3wnie w sygna\u0142ach r\u00f3\u017cnicowych poprowadzonych za pomoc\u0105 przewod\u00f3w, jest brak pr\u0105du powrotnego przez mas\u0119 uk\u0142adu. W sprz\u0119\u017conych liniach r\u00f3\u017cnicowych jedna z linii niesie sygna\u0142, a druga zapewnia mu drog\u0119 powrotn\u0105. Wobec tego, je\u015bli w idealnym przypadku nie mamy pr\u0105du powrotnego, odniesienie do ziemi staje si\u0119 mniej istotne.<\/p>\n\n\n\n
W praktyce potencja\u0142 uziemienia mo\u017ce by\u0107 r\u00f3\u017cny po stronie nadajnika i odbiornika. Z regu\u0142y ta r\u00f3\u017cnica mo\u017ce si\u0119 zawiera\u0107 w pewnym akceptowalnym zakresie napi\u0119cia wsp\u00f3lnego, kt\u00f3ry wynika z konstrukcji stopnia wej\u015bciowego odbiornika. Nale\u017cy jednak pami\u0119ta\u0107, \u017ce w przyrodzie nie ma idea\u0142\u00f3w i nie jeste\u015bmy w stanie zagwarantowa\u0107, \u017ce oba przewody w parze b\u0119d\u0105 dla sygna\u0142u jednorodne w ca\u0142ej swojej d\u0142ugo\u015bci.<\/p>\n\n\n\n
W przypadku jakichkolwiek nieci\u0105g\u0142o\u015bci pr\u0105d powrotny mo\u017ce si\u0119 pojawi\u0107 w zasadzie wsz\u0119dzie \u2013 mo\u017ce pop\u0142yn\u0105\u0107 poprzez metalowe elementy obudowy, ekran w przewodach lub nawet ziemi\u0119. Taka niezdefiniowana i niezbyt oczywista \u015bcie\u017cka pr\u0105du mo\u017ce przysporzy\u0107 problem\u00f3w z EMI (ang. Electromagnetic Interference), wi\u0119c nale\u017cy mie\u0107 to na uwadze. W przypadku p\u0142ytek PCB dla par r\u00f3\u017cnicowych wi\u0119kszo\u015b\u0107 powrotnego pr\u0105du b\u0119dzie znajdowa\u0142o si\u0119 w p\u0142aszczy\u017anie masy pod \u015bcie\u017ck\u0105. To jaka cz\u0119\u015b\u0107 z tego pr\u0105du b\u0119dzie przep\u0142ywa\u0142a przez drugi z przewodnik\u00f3w, zale\u017cy od stopnia ich sprz\u0119\u017cenia.<\/p>\n\n\n\n
Dzi\u0119ki sprz\u0119\u017ceniu dw\u00f3ch przewodnik\u00f3w mamy kontrol\u0119 nie tylko nad poziomem zak\u0142\u00f3ce\u0144 dostaj\u0105cych si\u0119 do linii, ale tak\u017ce jeste\u015bmy w stanie ograniczy\u0107 pole elektromagnetyczne wyemitowane z pary. Szybkie przej\u015bcia, takie jak rosn\u0105ce i opadaj\u0105ce kraw\u0119dzie sygna\u0142\u00f3w cyfrowych, mog\u0105 generowa\u0107 znaczne ilo\u015bci EMI.<\/p>\n\n\n\n
Zar\u00f3wno sygna\u0142y pojedyncze, jak i r\u00f3\u017cnicowe generuj\u0105 EMI, ale dwa sygna\u0142y w parze r\u00f3\u017cnicowej tworz\u0105 pola elektromagnetyczne, kt\u00f3re (w idealnym przypadku) maj\u0105 r\u00f3wn\u0105 wielko\u015b\u0107, ale przeciwn\u0105 polaryzacj\u0119. To, w po\u0142\u0105czeniu z technikami utrzymuj\u0105cymi blisk\u0105 odleg\u0142o\u015b\u0107 mi\u0119dzy dwoma przewodnikami (takimi jak u\u017cycie skr\u0119tki), zapewnia, \u017ce emisje z dw\u00f3ch przewodnik\u00f3w w du\u017cej mierze znosz\u0105 si\u0119 wzajemnie.<\/p>\n\n\n\n
![\"Wp\u0142yw](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/08\/Ryc.-3-1.png\")
<\/a>Ryc. 3 Wp\u0142yw skr\u0119cenia przewod\u00f3w na indukowane pole elektromagnetyczne<\/a><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n W zr\u00f3wnowa\u017conym uk\u0142adzie sygnalizacji r\u00f3\u017cnicowej mo\u017cna \u0142atwo okre\u015bli\u0107 stany logiczne sygna\u0142\u00f3w. Gdy sygna\u0142 nieodwr\u00f3cony jest wi\u0119kszy od sygna\u0142u odwr\u00f3conego w parach r\u00f3\u017cnicowych, odpowiada to stanowi logicznemu wysokiemu i odwrotnie. Przeci\u0119cie sygna\u0142\u00f3w nieodwr\u00f3conych i odwr\u00f3conych w liniach r\u00f3\u017cnicowych wskazuje na przej\u015bcie z jednego stanu logicznego do drugiego.<\/p>\n\n\n\n
Wobec tego pojawia si\u0119 nowe zjawisko, kt\u00f3re trzeba wzi\u0105\u0107 pod uwag\u0119, a kt\u00f3re nie wyst\u0119puje w przypadku sygnalizacji jednostronnej \u2013 dopasowanie d\u0142ugo\u015bci obu linii. Najwa\u017cniejszym za\u0142o\u017ceniem jest tutaj to, \u017ce oba sygna\u0142y powinny dotrze\u0107 do odbiornika z jednakowym op\u00f3\u017anieniem.<\/p>\n\n\n\n
Wiele os\u00f3b spiera si\u0119, \u017ce d\u0142ugo\u015b\u0107 przewod\u00f3w lub \u015bcie\u017cek w parze r\u00f3\u017cnicowej nie musi by\u0107 idealnie dopasowana. Ilustruj\u0105 to specyfikacjami cz\u0119\u015bci w torze komunikacyjnym i dozwolonymi op\u00f3\u017anieniami w bud\u017cecie czasowym dla sygna\u0142u. Jest to prawda \u2013 lekko przesuni\u0119ty sygna\u0142 nadal zostanie prawid\u0142owo odebrany \u2013 jednak nie to jest g\u0142\u00f3wnym powodem, dlaczego chcemy dopasowa\u0107 d\u0142ugo\u015bci przewodnik\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n
Ca\u0142y sens dopasowywania ma zwi\u0105zek z za\u0142o\u017ceniem, \u017ce sygna\u0142y r\u00f3\u017cnicowe s\u0105 r\u00f3wne, ale o przeciwnych znakach. Gdy to za\u0142o\u017cenie zostanie naruszone, zaczynaj\u0105 p\u0142yn\u0105\u0107 niekontrolowane pr\u0105dy doziemne. W najlepszym przypadku s\u0105 \u0142agodne, ale w najgorszym mog\u0105 generowa\u0107 powa\u017cne problemy zwi\u0105zane z EMC (ang. Electromagnetic Compability). To w\u0142a\u015bnie dlatego, je\u015bli we\u017amiecie do r\u0119ki dowoln\u0105 p\u0142ytk\u0119, na kt\u00f3rej wyst\u0119puj\u0105 interfejsy high-speed, zobaczycie, \u017ce \u015bcie\u017cki wytrawione na PCB cz\u0119sto uk\u0142adaj\u0105 si\u0119 w meandryczne wzory.<\/p>\n\n\n\n
![\"Linie](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/08\/Ryc.-4-1.png\")
<\/a>Ryc. 4 Linie r\u00f3\u017cnicowe poprowadzone na zewn\u0119trznej warstwie PCB<\/a><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n Sygna\u0142y r\u00f3\u017cnicowe maj\u0105 r\u00f3wnie\u017c t\u0119 dodatkow\u0105 zalet\u0119, \u017ce mog\u0105 pracowa\u0107 przy ni\u017cszych napi\u0119ciach, ni\u017c sygna\u0142y single-ended, zachowuj\u0105c przy tym stosunek sygna\u0142u do szumu (SNR). Mniejszy poziom napi\u0119cia jest mo\u017cliwy, poniewa\u017c odbiornik musi widzie\u0107 tylko r\u00f3\u017cnic\u0119 w poziomie napi\u0119cia mi\u0119dzy liniami \u201e+\u201d i \u201e\u2013\u201d. Przy ni\u017cszych napi\u0119ciach mo\u017cna uzyska\u0107 korzy\u015bci w postaci mo\u017cliwo\u015bci stosowania ni\u017cszych napi\u0119\u0107 zasilaj\u0105cych, mniejszego zu\u017cycia energii i mniejszej emisji EMI.<\/p>\n\n\n\n
Podsumowanie<\/h2>\n\n\n\n
Podsumowuj\u0105c, je\u015bli w swoich projektach potrzebujesz zapewni\u0107 komunikacj\u0119 pomi\u0119dzy dwoma urz\u0105dzeniami, kt\u00f3re znajduj\u0105 si\u0119 w znacznej odleg\u0142o\u015bci od siebie, warto rozwa\u017cy\u0107 zastosowanie sygnalizacji r\u00f3\u017cnicowej. B\u0119dziesz czerpa\u0107 korzy\u015bci z wi\u0119kszej szybko\u015bci przesy\u0142ania danych, ni\u017cszych wymaga\u0144 energetycznych i zmniejszonego poziomu EMI.<\/p>\n\n\n\n
Najwi\u0119ksz\u0105 z zalet b\u0119dzie przede wszystkim zwi\u0119kszona niezawodno\u015b\u0107 zastosowanej komunikacji. Wad\u0105 w takim podej\u015bciu jest konieczno\u015b\u0107 u\u017cycia dodatkowego uk\u0142adu konwertera sygna\u0142u jednostronnego na r\u00f3\u017cnicowy. Jednak, zw\u0142aszcza w projektach ma\u0142oseryjnych, jest to moim zdaniem koszt, kt\u00f3ry op\u0142aca si\u0119 ponie\u015b\u0107, aby m\u00f3c czerpa\u0107 ze wszystkich benefit\u00f3w komunikacji r\u00f3\u017cnicowej.<\/p>\n\n\n\n
***<\/p>\n\n\n\n
Je\u015bli ciekawi\u0105 Was inne artyku\u0142y z obszaru Embedded, polecamy teksty naszych ekspert\u00f3w: Projektowanie PCB na dw\u00f3ch warstwach<\/a>, O kr\u00f3lu RAM-ie<\/a>, Podstawy lutowania<\/a>, Programowanie bezga\u0142\u0119ziowe<\/a> oraz Maszyny wirtualne – interpretery<\/a>. <\/p>\n\n\n