REFLEXÕES EM SINAIS PROFIBUS

O MEIO FÍSICO RS485

Neste padrão temos dois canais independentes conhecidos como A e B, que transmitem níveis de tensão iguais, porém com polaridades opostas (VOA e VOB ou simplesmente VA e VB). 

Por esta razão, é importante que a rede seja ligada com a polaridade correta. 

Embora os sinais sejam opostos, um não é o retorno do outro, isto é, não existe um loop de corrente. 

Cada sinal tem seu retorno pela terra ou por um terceiro condutor de retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo receptor de forma diferencial sem referência ao terra ou ao condutor de retorno.

Quanto ao aterramento neste sistema de comunicação, esta é a grande vantagem do sinal diferencial: note na figura 1a que o sinal está trafegando com fases invertidas nos condutores do cabo enquanto o ruído trafega com mesma fase.

Nos terminais de entrada do amplificador diferencial, o sinal de comunicação Profibus chega em modo diferencial e o ruído em modo comum, rejeitando-o. Sendo assim, todo ruído que for induzido no cabo, em geral de origem eletromagnética, será em sua maioria
rejeitado.

Figura 1a – Sinal Profibus-DP – RS485



Figura 1b – Rede Profibus-DP – RS485

Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os dois condutores do par trançado,  independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra).


O QUE É REFLEXÃO DE SINAL  ?
A reflexão do sinal ocorre quando um sinal é transmitido ao longo de um meio de transmissão, tal como um cabo de cobre ou fibra óptica e parte da energia do sinal pode ser refletido de volta para sua origem. Isso pode acontecer por imperfeições no cabo, mudança de impedância ao longo da linha de comunicação(splices), falta do terminador, spur além do permitido, comprimento total além do permitido, etc.

Os pontos mais prováveis para reflexões são nas conexões ou junções do cabo, ou ainda em pontos onde se tem violada a curvatura mínima do cabo.

Figura 2a – Sinal Profibus sem reflexão (à esquerda) e com reflexão por falta de terminador (à direita)

Figura 2b – Sinal Profibus com  reflexão por splices na instalação (à esquerda) e sem reflexão (à direita)

Observe na figura 2c que quanto maior for a taxa de comunicação maior será a influência da reflexão, pois o tempo de bit é menor.
 

Figura 2c – Sinal Profibus com reflexões em diferentes baud rates.

A figura 4 mostra um exemplo de instalação onde a curvatura mínima foi violada e com isto o sinal Profibus se comporta como o da figura 5.


CURVATURA MÍNIMA

Flexão, alongamento, torções, esmagamentos durante o processo de instalação do cabo Profibus podem forçar os condutores ou mesmo alterarem suas seções transversais. Isso perturba o eixo comum dos condutores e blindagem, e mostra-se como uma mudança na impedância no ponto de stress do cabo. Através da captura de sinais, estes pontos podem ser facilmente identificados pelas reflexões nos sinais. Em todos os casos, o raio mínimo especificado refere-se à superfície interna do cabo, e não ao eixo do cabo.
 

Figura 3 – Raio de Curvatura Mínimo

Freqüentemente os danos não são visíveis e a própria isolação e integridade do cabo podem ficar comprometidas.

Figura 4 - Exemplos de Curvaturas Mínimas Inadequadas e de Cabos Danificados.

Figura 5 – Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo.
 

A Figura 6 apresenta um diagrama de uma linha básica de transmissão “single-ended”. Uma fonte de tensão (Vs) gera uma sinal digital com uma impedância Zs. A linha de transmissão tem a  impedância AC (Z0) em relação ao terra e, no final do cabo tem-se a  impedância (ZT), casadora de impedância. No caso do Profibus, temos o terminador no ínicio e término de cada segmento, garantindo a melhor condição de sinais.

 
Figura 6 - Diagrama de uma linha de transmissão básica (single-ended).
 

O QUE É UM TERMINADOR REDE ?

O terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus com a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior poder ser a distorção dos sinais. O terminador elimina erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se não colocarmos o terminador, o cabeamento funciona como uma antena, facilitando a distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos. A impedância característica é o valor da carga, que colocada no final desta linha, não reflete nenhuma energia. Ou em outras palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou ainda, uma relação de ondas estacionárias igual a um.

Se não há os terminadores no segmento Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido no tempo (jitter) e amplitude (oscilações). Toda vez que a geometria do cabo for alterada resultará em desequilíbrios de impedância e haverá reflexões resultantes. 

Tanto a rede Profibus-DP quanto a rede Profibus-PA exigem os terminadores. É obrigatório o uso dos terminadores de barramento, onde sua ausência causa o desbalanceamento, provocando atraso de propagação, assim como a oscilações ressonantes amortecidas causando transposição dos níveis lógicos (thresholds). Além disso, melhora a margem de ruído estático. No Profibus-DP, os terminadores são ativos, isto é, são alimentados. Veja a figura 7. 

 
Figura 7 – Terminador de barramento Profibus-DP.

Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e no fim de cada segmento, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados. Vide figura 8. 

 
Figura 8 – Terminador ativo de barramento Profibus-DP.

No Profibus-PA, deve-se ter terminadores no barramento (resistor de 100 Ohms e um capacitor de 1 uF em série), um no início e outro no final. Não se deve ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 Ohms +/-20% entre 7.8 a 39 kHz. Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas freqüências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV. 

Figura 9 – Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores.
 

OS CUIDADOS NECESSÁRIOS PARA OS TERMINADORES NA REDE PROFIBUS-DP

Pelo fato dos terminadores serem ativos, um erro comum que se comete é colocar como escravo DP as estações de trabalho onde em uma queda de energia ou reset do microcomputador, as linhas de alimentação balançam, desbalanceando a rede, causando intermitência e paradas indesejadas.

 

CONCLUSÃO