Chapter 2 System Configuration
รูปแบบของระบบเครือข่าย (Network Topology )
ในระบบเครือข่าย RS-232 และ RS-485 ไม่มีข้อกำหนดในหัวข้อรูปแบบการเชื่อมต่อ การออกแบบการเชื่อมต่อมักขึ้นอยู่กับความต้องการทางกายภาพของระบบ
ระบบ 2 สาย และ 4 สาย (Two-wire or Four-wire System)
ระบบ RS-422 ใช้ 1 คู่สายสำหรับแต่ละสัญญาณ เช่น 1 คู่สายสำหรับสายส่ง , 1 คู่สายสำหรับสายรับ และในบางกรณีอาจมี 1 คู่สายทำหน้าที่ควบคุมการทำ tri-state ( handshake line ) ในการทำ tri-stated ของ RS-485 มีความสามารถทำให้การรับ-ส่งข้อมูลผ่านสายสัญญาณคู่เดียวกันได้หรือมีลักษณะการสื่อสารแบบ Half-duplex รูป
แบบการเชื่อมต่อในลักษณะ 2 สายจะช่วยลดค่าใช้จ่ายในการเชื่อมต่อระบบได้เนื่องจากใช้สายน้อยกว่า(สายสัญญาณ 2 สายและสายกราวด์ 1 สาย) ในการต่อแบบ 2 สายของอุปกรณ์ RS-485 จะมีข้อกำหนดการเชื่อมต่อทั้งแบบภายในและภายนอก ในการเชื่อมต่อภายในจะมีขั้วต่อ A และ B (ในบางครั้งแทนด้วย – และ + ) ให้ทำการเชื่อมต่อเข้ากับสายส่ง

การเชื่อมต่อแบบ 4 สายจะมีขั้ว A และ B ทั้งที่ตัวส่งและตัวรับ ผู้ใช้สามารถส่งข้อมูลให้กับตัวรับโดยผ่านสาย 2 เส้นและส่งข้อมูลกลับผ่านสายอีก 2 สาย สายกราวด์ยังเป็นสายที่มีความสำคัญต่อระบบจำเป็นต้องใช้เป็นจุดอ้างอิงในการรักษาระดับแรงดันคอมมอนหรือVcm(แรงดันที่วัดระหว่างสายสัญญาณแต่ละเส้นเทียบกับสายกราวด์) ระบบสามารถทนแรงดันคอมมอนได้ที่ค่าหนึ่ง ดังนั้นจำเป็นต้องรักษาแรงดันดังกล่าวให้อยู่ในช่วงที่อุปกรณ์รับได้ ถ้าไม่มีสายกราวด์ในระบบจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวน ( noise ) และระบบจะไม่มีความมั่นคง รูปที่2.1 แสดงการต่อแบบ 4 สาย รูปที่2.2 แสดงการต่อแบบ 2 สาย

การต่อขั้วปลาย ( Termination )
ระบบควรมีการต่อขั้วปลายหรือการต่ออิมพีแดนซ์(Rt)เข้าระหว่างเทอร์มินอล เพื่อทำให้เกิดอิมพีแดนซ์สมดุลย์กันระหว่างอิมพีแดนซ์ของโหลดกับอิมพีแดนซ์ของสายส่ง ถ้าอิมพีแดนซ์ไม่สมดุลย์จะทำให้โหลดไม่ได้รับสัญญาณที่สมบูรณ์เนื่องจากสัญญาณบบางส่วนเกิดการสะท้อนกลับภายในสายส่ง ถ้าอิมพีแดนซ์ของตัวกำเนิด (source) , อิมพีแดนซ์ของสายส่ง ( transmission line ) และอิมพีแดนซ์ของโหลดมีค่าเท่ากันจะไม่เกิดการสะท้อนกลับในระบบ แต่การต่อขั้วปลายนั้นก็ถือว่าเป็นการเพิ่มโหลดให้กับตัวส่ง ทำให้การติดตั้งซับซ้อนมากขึ้น , จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงการไบอัส และการปรับปรุงหรือแก้ไขระบบจะทำได้ยากขึ้น การตัดสินใจว่าควรทำการต่อขั้วปลายหรือไม่ขึ้นอยู่กับความยาวของสายเคเบิ้ลและอัตราข้อมูลในระบบ หรืออีกทางหนึ่งอาจดูจาก Propagation delay ถ้ามีค่าน้อยกว่าความยาว 1 บิท ไม่จำเป็นต้องมีการต่อขั้วปลายเนื่องจากสัญญาณจะสะท้อนกลับไปกลับมาจนมีขนาดน้อยลงและหายไปในที่สุด(damp out)จึงไม่มีผลต่อการรับข้อมูล การรับของ “UART” จะเอาค่าที่อยู่ตรงกลางของบิทซึ่งถือว่าเป็นค่าที่มีความถูกต้องที่สุด การหาค่า Propagation delay คำนวณได้จากผลคูณระหว่างความยาวสายเคเบิ้ลกับ Propagation velocity ของสายเคเบิ้ล โดยจะถูกกำหนดจากผู้ผลิตซึ่งมีค่าอยู่ในช่วง 66%-75% ของความเร็วแสง
ตัวอย่าง ที่1 ความยาว 1 รอบของสายเคเบิ้ล 4,000 ฟุต สายเคเบิ้ลมี Propagation velocity 66%
Propagation velocity = 0.66x3x10e8x3.33 ( 1 เมตร = 3.33 ฟุต )
= 6.5x10e8 ft/s
Propagation delay 1 รอบ = 4,000/6.5/10e8 = 6.2 ms.
ถ้าสมมติให้การสะท้อนกลับหายไปภายใน 3 รอบ Propagation delay = 18.6 ms.
ถ้าอัตราการส่งข้อมูล = 9,600 bps ความกว้าง 1 bit = 1/9,600 = 104 ms.
ตรงกลางข้อมูลอยู่ที่ 104/2 = 52 ms. จะเห็นได้ว่า Propagation delay มีค่าน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของความยาว 1 บิท ดังนั้นการสะท้อนกลับไม่มีผลต่อข้อมูล จึงไม่จำเป็นต้องมีการต่อขั้วปลาย
การต่อขั้วปลายมีหลายวิธีแต่ B&B แนะนำวิธีการต่อขนาน หรือ Parallel termination ความต้านทานจะต่อขนานเข้ากับขั้ว A และ B ของตัวรับ ถ้าเป็นระบบที่ไม่มีการต่อตัวทวนสัญญาณ หรือ Repeater ควรต่อขั้วปลายเพียง 2 แห่งคือที่ปลายทั้งสองด้านของสายส่ง สำหรับการเลือกค่าความต้านทานขั้ว หรือ Rt นั้น ขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ภายในสายส่งซึ่งขึ้นอยู่กับการผลิตของผู้ผลิตไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวของสาย ซึ่งโดยมากแล้วผู้ผลิตมักกำหนดการผลิตสายเคเบิ้ลให้มีค่าความต้านทานอยู่ที่ 120 โอมห์ อย่างไรก็ตามสามารถเลือกค่าความต้านทานได้ตั้งแต่ 90 โอมห์ขึ้นไป
ข้อเสียของการต่อขั้วปลายแบบขนานคือ เปรียบเสมือนการเพิ่มโหลด DC ให้กับระบบและอาจทำให้ตัวเปลี่ยน RS-232 เป็น RS-485 ( RS-232 to RS-485 Converter ) เกิดการ overload นอกจากนี้ยังมีการต่อขั้วปลายอีกวิธีหนึ่งเรียกว่า AC Coupled Termination ทำได้โดยการต่อคาปาซิเตอร์ขนาดเล็กๆอนุกรมเข้ากับความต้านทานขั้ว (Rt) เพื่อกำจัดผลกระทบจาก DC loading การเลือกค่าคาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบ ผู้ออกแบบควรศึกษาจาก National Semiconductor Application Note
รูปที่2.3 แสดงการต่อขั้วปลายแบบ Parallel termination และ AC Coupled Terminationในระบบ RS-485 แบบ 2 สาย สำหรับในระบบแบบ 4 สายความต้านทานขั้ว หรือ Rt จะถูกต่อคร่อมที่ตัวรับ

การไบอัสในระบบเครือข่าย RS-485 ( Biasing an RS-485 Network )
เมื่อทุกโหนดอยู่ในโหมดของการรอรับข้อมูล หรืออยู่ในสถานะ idle ( idle state ) จะไม่มีตัวส่งใดทำงาน (active) หรือเรียกว่าอยู่ในสถานะ tri-state สายส่งจะอยู่ในลักษณะเรียกว่า Unknown ถ้าระดับแรงดันของอินพุทที่ ตัวรับ ( A และ B )มีค่าอยู่ในช่วง +- 200 mV. ระดับลอจิกที่เอาท์พุทของตัวรับจะคงค่าของบิทสุดท้ายที่รับ เพื่อรักษาแรงดันidleให้เหมาะสมจำเป็นต้องมีการต่อความต้านทานที่เรียกว่าความต้านทานไบอัส เข้าระหว่างขั้ว B กับ 5
V. หรือเรียกว่า Pull up resister และใส่ความต้านระหว่างขั้ว A กับกราวด์หรือเรียกว่า Pull down resister รูปที่ 2.4 แสดงการต่อความต้านทานไบอัสเข้ากับตัวรับในระบบแบบ 2 สาย สำหรับระบบแบบ4 สายจะต่อความต้านทานเข้ากับตัวรับ ค่าความต้านทานไบอัสขึ้นอยู่กับการต่อขั้วปลายและจำนวนโหนดในระบบ การสร้างกระแส
ไบอัสให้มีค่าเพียงพอที่จะรักษาแรงดันระหว่างสายส่งAและBให้มีค่ามากกว่า 200 mV. ดูได้จากตัวอย่างที่ 2 และ 3 ซึ่งแสดงการคำนวณค่าความต้านทานไบอัส

ตัวอย่างที่ 2 ระบบ RS-485 ต่อเข้าด้วยกัน 10 โหนด มี Rt = 120 Ohm ที่ขั้วปลายทั้ง 2 ด้าน แต่ละโหนดมีโหลดอิมพีแดนซ์ 12 k Ohm ดังนั้น
10 โหนดที่ต่อขนานกันจะให้โหลดอิมพีแดนซ์ = 1,200 Ohm
Rt ที่ขั้วปลายทั้ง 2 ให้โหลดอิมพีแดนซ์ = 60 Ohm
รวมโหลดอิมพีแดนซ์ = 60//1,200
= (60×1,200)/(60+1,200)
= 57 Ohm
สังเกตได้ว่าขนาดของ Rt จะเป็นโหลดหลักของระบบ และเพื่อรักษาระดับแรงดันระหว่างสาย A และ B ไว้ไม่ให้ต่ำกว่า 200 mV. ดังนั้นจะใช้กระแสไบอัส = 200 mV. / 57 Ohm
= 3.5 mA.
เพื่อให้ได้กระแสไบอัสไหลผ่านที่แรงดัน 5 V. ดังนั้นมีค่าอิมพีแดนซ์รวม
= 5 V./ 3.5mA. = 1,428 Ohm
ความต้านทานที่ใช้ไบอัส (Rpull up = Rpull down) = (1,428 – 57 )/2
= 685 Ohm
ดังนั้นค่าสูงสุดสำหรับ pull up กับ 5 V. และ pull down กับกราวด์ = 685 Ohm จะให้กระแสไบอัสมากที่สุด

ตัวอย่างที่ 3 ระบบเครือข่าย RS-485 มีจำนวนโหนดทั้งหมด 32 โหนด และไม่มีการต่อขั้วปลายแต่ละโหนดมีโหลดอิมพีแดนซ์ 12 k Ohm ดังนั้น 32 โหนดที่ต่อขนานกันจะให้โหลดอิมพีแดนซ์ = ( 12 k Ohm /32 โหนด )
= 375 Ohm
เพื่อรักษาระดับแรงดันอย่างน้อย 200 mV. ต้องการกระแสไบอัส = 200 mV. / 375 Ohm
= 0.53 mA.
ความต้านทานไบอัส ( Rpull up = R pull down ) = ( (5 V./0.53 mA.) – 375 ) / 2
= 9,375 Ohm
ดังนั้นค่าความต้านทานที่ตัวรับ ต้องใส่ความต้านทานที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 9 k Ohm จะสังเกตว่าถ้าระบบไม่มีการต่อขั้วปลายจะใช้กระแสไบอัสเพียงเล็กน้อยและน้อยกว่าระบบที่มีการต่อขั้วปลาย ความต้านทานไบอัสจะวางไว้ที่ส่วนไหนของระบบก็ได้หรือจะแบ่งวางก็ได้ แต่เมื่อรวมความต้านทานสุดท้ายของระบบแล้วจะต้องมีค่าไม่เกินค่าที่คำนวณได้ B&B Electronics ใช้ค่าความต้านทานไบอัส = 4.7 k Ohm ในผลิตภัณฑ์ RS-485 ค่านี้เพียงพอกับระบบส่วน
มากที่ไม่มีการต่อขั้วปลาย ผู้ออกแบบระบบควรคำนวณความต้องการการไบอัสของระบบ การไบอัสที่น้อยเกินไปมีผลทำให้เกิดสัญญาณรบกวนขึ้นในระบบซึ่งมีผลกระทบกับความผิดพลาดของข้อมูลโดยตรงในขณะที่การไบอัสที่มากเกินไปมีผลกระทบกับระบบน้อยกว่า โดยผลกระทบหลักของการไบอัสที่มากเกินไปคือการเพิ่มโหลดให้กับสายส่ง แต่อย่างไรก็ตามการไบอัสที่มากเกินไปมีผลต่อระบบที่มีตัวเปลี่ยน RS-232 เป็น RS-485 (RS-232 to RS-485
converter) อยู่ด้วย เนื่องจากตัวเปลี่ยน RS-232 เป็น RS-485 ค่อนข้างที่จะ sensitive กับการ over bias
ข้อกำหนดในการขยายระบบ ( Extending the Specification )
ถ้าเราต้องการขยายระบบให้ส่งได้ระยะทางที่ไกลหรือมีจำนวนโหลดมากเกินกว่าที่ระบบ RS-422 หรือ RS-485 จะรับได้ เราจำเป็นต้องต่อตัวทวนสัญญาณ หรือ Repeater เข้าในระบบ โดยสามารถแบ่งโหลดของระบบออกเป็นส่วน ในแต่ละส่วนที่ตัวทวนสัญญาณทำการทวนสัญญาณ (Refresh) จะสามารถส่งได้ไกลถึง 4,000 ฟุต และสามารถเพิ่มจำนวนโหนดได้อีก 31 โหนด อีกวิธีที่สามารถเพิ่มจำนวนโหนดในระบบได้โดยการใช้ตัวรับที่มีโหลดต่ำ ที่ตัวรับนี้จะมีอินพุทอิมพีแดนซ์สูงกว่าปกติทำให้โหลดของตัวส่งลดลง เราจึงสามารถเพิ่มจำนวนโหนดได้มากขึ้น เช่น ถ้าเราใช้
ตัวรับที่มีโหลดเท่ากับ ½ ของโหลดปกติ เราจะสามารถต่อโหนดในระบบได้เพิ่มขึ้นเป็น 64 โหนด หรือถ้าใช้ตัวรับที่มีโหลดขนาดเท่ากับ ¼ ของโหลดปกติ จะสามารถต่อโหนดในระบบได้เพิ่มขึ้นเป็น 128 โหนด เป็นต้น