Perangcangan Komunikasi Data Multripoint Standar TIA/EIA-485 Oleh : Danny Kurnianto,S.T.,M.Eng

Perangcangan Komunikasi Data Multripoint Standar TIA/EIA-485 Oleh : Danny Kurnianto,S.T.,M.Eng

1. Pendahuluan

Transmisi data antara komponen-komponen sistem komputer dan perangkat-perangkat lain pada jarak yang jauh dan di bawah kondisi tinggi noise biasanya sulit untuk diwujudkan hanya dengan menggunakan penerima (receiver) dan pengirim (driver) tunggal di ujung saluran transmisinya. Standar TIA/EIA-485 adalah antarmuka saluran transmisi digital seimbang yang dikembangkan untuk memperbaiki keterbatasan dari TIA/EIA-232 [1]. Kelebihan dari Standar TIA/EIA-485 ini adalah :

1. Kecepatan sinyal tinggi sampai 50 M bit/s

2. Saluran transmisi lebih panjang sampai 1200 meter

3. Menggunakan transmisi diferensial – pengaruh noise lebih sedikit

4. Dapat terdiri dari banyak penerima dan pengirim dalam satu saluran komunikasi. Standar TIA/EIA-485 juga dikembangkan untuk meng-upgrade standar TIA/EIA-422, dimana pada standar 442 mode komunikasi yang digunakan adalah mode simplex (komunikasi satu arah) dengan hanya terdiri dari 1 pengirim dan penerima pada satu saluran transmisinya. Sedangkan pada standar TIA/EIA-485 mengijinkan banyak pengirim dan penerima pada satu saluran komunikasi dengan mode komunikasi halfduplex (komunikasi dua arah) [1][2]. Pada Gambar 1 ditunjukkan diagram blok standar TIA/EIA-422 dan pada Gambar 2 ditunjukkan standar TIA/EIA-485.

Gambar 2. Standar TIA/EIA-485 [2].

Jumlah maksimum dari driver dan receiver yang dapat ditempatkan pada saluran tunggal komunikasi TIA/EIA-485 tergantung pada karakteristik relatif beban yang disebut sebagai Unit Load (UL). Standar 485 merekomendasikan jumlah maksimum sebesar 32 UL per saluran. Satu unit load didefinisikan sebagai beban yang diperbolehkan sebesar 1 mA di bawah tegangan maksimal mode bersama (common-mode) 12 Volt atau sebesar 0,8 mA pada tegangan – 7 Volt [2][3].

2. Transmisi Data Dengan Saluran Diferensial Seimbang 2.1. Saluran Diferensial Seimbang Pada Driver

Pada sistem diferensial seimbang, tegangan yang dihasilkan oleh driver muncul pada sepasang saluran sinyal untuk mengirimkan hanya satu sinyal saja. Saluran seimbang pada driver akan menghasilkan tegangan dari 2 V sampai 6 V pada terminal output A dan B. Pada driver juga memiliki saluran koneksi ke ground, meskipun saluran ini penting tetapi tidak digunakan sebagai penentu kondisi logika data pada bagian receiver. Pada driver juga terdapat input enable yang berfungsi untuk menghubungkan driver ke saluran output A dan B, jika sinyal enable dalam kondisi off maka driver terputus dari jalur transmisi [4]. Pada Gambar 4 ditunjukkan saluran diferensial seimbang pada driver.

Gambar 4. Saluran Deferensial Seimbang Pada Driver [4] 2.2. Saluran Diferensial Seimbang Pada Receiver

Saluran diferensial seimbang pada receiver mendeteksi kondisi tegangan pada saluran transmisi yang melintas pada dua sinyal input A dan B. Pada receiver juga memiliki saluran koneksi ground. Receiver RS-485 merespon perbedaan tegangan antara input A dan input B. Jika tegangan Vab lebih besar dari 200 mV maka level logika ditetapkan pada keluaran receiver, artinya apabila tegangan input A lebih besar 200 mV dari input B maka keluaran receiver akan berlogika „high‟ dan apabila tegangan B lebih besar 200 mV dari A maka keluaran receiver akan berlogika „low‟ [4]. Pada Gambar 5 ditunjukkan saluran diferensial seimbang pada receiver.

Gambar 5. Saluran Diferensial Seimbang Pada Receiver [4] 3. Terminasi

Pada umumnya, jalur transmisi RS-485 memerlukan terminasi karena transisi yang cepat, kecepatan transfer data tinggi dan pengkabelan yang panjang. Tujuan terminasi adalah untuk menjaga gejala saluran transmisi yang merugikan seperti pemantulan data, oleh karena itu diperlukan resistor terminasi pada kedua ujung kabel jalur transmisi. Kesalahan yang sering terjadi adalah menghubungkan resistor terminasi pada setiap node yang mengakibatkan error pada saluran transmisi [3]. Ada empat macam konfigurasi terminasi yang dapat digunakan pada rangkaian multipoint standar TIA/EIA-485 yaitu rangkaian tanpa terminasi, terminasi pararel, terminasi AC dan terminasi Fail-save.

3.1. Tanpa Terminasi (No termination)

Pilihan jenis ini menjadi mungkin jika dalam kondisi komunikasi jarak pendek dan kecepatan data rendah. Pemantulan data tetap terjadi tetapi pemantulan ini muncul setelah 3 kali siklus waktu tunda. Untuk jarak kabel yang pendek, siklus waktu tunda menjadi pendek, jika kecepatan data rendah maka interval unitnya menjadi panjang. Jika kondisinya seperti ini, pemantulan terjadi sebelum pengambilan sampling [3]. Pada Gambar 6 ditunjukkan konfigurasi tanpa terminasi.

Gambar 6. Konfigurasi tanpa terminasi [2]. Kelebihan :

1. Driver membutuhkan hanya sedikit arus dari sumber untuk menghasilkan sinyal pada receiver.

3. Memastikan bahwa keluaran receiver diketahui kondisinya jika receiver secara internal memiliki fitur open-line fail save.

Kekurangan :

1. Pemantulan sinyal karena ketidaksesuaian impedansi saluran pada kecepatan data tinggi (digunakan hanya pada aplikasi dengan kecepatan data ≤ 200 kbps dan jarak yang pendek.)

3.2. Terminasi Pararel

Cara terminasi yang popular adalah dengan menghubungkan sebuah resistor tunggal diantara sepasang saluran disetiap ujungnya. Nilai resistor sesuai dengan karakteristik impedansi dari mode diferensial kabel, biasanya digunakan nilai resistor sebesar 100 Ohm. Pada terminasi jenis ini tidak terjadi pemantulan data dan keakuratan sinyal baik. Yang menjadi masalah adalah disipasi daya pada resistor terminasi [3]. Pada Gambar 7 ditunjukkan konfigurasi terminasi pararel.

Gambar 7. Konfigurasi terminasi pararel [2] Kelebihan :

1. Mengeliminasi terjadinya pemantulan data : kecepatan data lebih tinggi dan kabel lebih panjang.

2. Dapat mendukung aplikasi multidrop atau multipoint. Kekurangan :

1. Jarak kabel receiver dengan saluran bus utama menjadi panjang (I), dapat memunculkan kembali pemantulan data.

2. Meningkatnya disipasi daya pada driver (jika dibandingkan dengan konfigurasi tanpa terminasi).

3. Output pada receiver tidak dapat dipastikan saat driver dalam kondisi idle atau dalam kondisi impedansi tinggi.

3.3. Terminasi AC

Kelemahan terminasi jenis pararel adalah adanya disipasi daya pada resistor terminasi, hal ini terjadi karena adanya sebagian arus yang mengalir dari satu saluran diferensial ke saluran diferensial lainnya melewati resistor terminasi. Untuk mengatasi hal ini maka digunakan konfigurasi terminasi AC, yaitu dengan memasang kapasitor secara seri dengan resistor terminasi. Dengan demikian, aliran arus dari satu saluran diferensial ke saluran yang lainnya akan dieliminasi. Adanya penambahan waktu tunda pada RC akan menyebabkan kecepatan transmisi menjadi berkurang [2][3]. Pada Gambar 8 ditunjukkan konfigurasi terminasi AC dengan menggunakan nilai resistor sebesar 100 Ohm dan nilai kapasitor sebesar 1000 pF.

Gambar 8. Konfigurasi terminasi AC [2] Kelebihan :

1. Disipasi daya driver akan berkurang jika dibandingkan dengan terminasi pararel. 2. Pemantulan data berkurang.

3. Memastikan output receiver kondisinya diketahui. Kekurangan :

1. Nilai maksimum kecepatan data dan panjang kabel dibatasi karena adanya waktu konstan rangkaian RC.

3.4. Terminasi Open-Line Fail-Save

Konfigurasi jenis ini merupakan modifikasi dari konfigurasi terminasi pararel dengan menyediakan fail-save bias. Pada konfogurasi jenis ini ditambahkan resistor pull-up dan pull-down untuk memastikan bahwa beda potensial atau tegangan antara saluran diferensial paling sedikit sebesar 200 mV. Nilai resistor pull-up dan pull-down yang digunakan biasanya sebesar 820 Ohm dengan resistor pararel sebesar 100 Ohm. Pada Gambar 9 ditunjukkan konfigurasi terminasi open-line fail-save [2][3].

Gambar 9. Konfigurasi terminasi Open-line Fail-save [2] Kelebihan :

1. Memaksa tegangan antara saluran diferensial paling kecil sebesar 200 mV yang melintas di input receiver saat driver dalam kondisi idle atau disconnected.

Kekurangan :

1. Konsumsi daya akan bertambah 2. Disipasi daya tinggi

3. Sedikit Unit Load yang tersedia untuk receiver. 3.5. Terminasi Multipoint

Konfigurasi multipoint dapat digunakan pada standar TIA/EIA-485 tetapi tidak untuk 422. Pada konfigurasi multipoint 485 ini, transceiver dipasang di kedua ujung saluran komunikasi dan driver atau receiver dapat ditempatkan sepanjang saluran komunikasi. Terminasi juga dibutuhkan di kedua ujuang saluran. Pada Gambar 10 ditunjukkan konfigurasi multipoint.

Gambar 10. Konfigurasi multipoint Kelebihan :

1. Sama seperti terminasi pararel 2. Kualitas sinal yang optimal

Kekurangan :

1. Sama seperti terminasi pararel, tetapi terminasi resistor dipasang pada kedua ujung saluran yang akan menambah pembebanan (loading) pada driver.

4. Grounding

Pada Gambar 11 ditunjukkan rangakain grounding yang direkomendasikan.

Gambar 11. Grounding Rangkaian Komunikasi Standar 485

Untuk merancang komunikasi data menggunakan standar TIA/EIA-485 (RS-485) dapat menggunakan IC transceiver SN75ALS176B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.

Gambar 12. Diagram Blok IC Transceiver SN75ALS176B [1]

================================================================= Purwokerto, 09 Desember 2015

Penulis,

Danny Kurnianto,S.T.,.Eng

Referensi:

[1] M.-S. Products, “Interface Circuits for TIA/EIA-485,” no. September, Texas Instruments, 2000.

[2] M. Soltero, J. Zhang, and C. Cockrill, “422 and 485 Standards Overview and System Configurations,” no. May, Texas Instruments, 2000, pp. 1–33.

[3] J. Goldie, “Ten Ways to Bulletproof RS-485 Interfaces Ten Ways to Bulletproof RS-485 Interfaces,” National Semiconductor, 2002.

[4] “RS-422 and RS-485 Application Note,” Ottawa: B&B Electronics Manufacturing Company, 1992, pp. 1–23.