8-900-374-94-44
[email protected]
Slide Image
Меню

Рс 485 для чайников – RS-485 . RS-485 .

Содержание

принцип действия, схема, организация работы

В современной технике все большее значение приобретает обмен информацией между различными устройствами. А для этого требуется передавать данные как на небольшие расстояния, так и на значительные, порядка километров. Один из таких видов передачи данных – связь между устройствами по интерфейсу RS-485.

Где необходимо передавать данные по RS 485.

Один из самых распространенных примеров применения устройств для обмена данными – дистанционные системы учета электроэнергии. Электросчетчики, объединяемые в единую сеть, рассредоточены по шкафам, ячейкам распределительных устройств и даже подстанциях, находящимся на значительном удалении друг от друга. В этом случае интерфейс служит для отправки данных от одного или нескольких устройств учета.

Система «один счетчик – один модем» активно внедряется для передачи данных в службы энергосбытовых компаний от узлов учета частных домов, небольших предприятий.

Другой пример: получение данных от микропроцессорных терминалов релейной защиты в режиме реального времени, а также централизованный доступ к ним с целью внесения изменений. Для чего терминалы обвязываются через интерфейс связи аналогичным образом, а данные от него поступают в компьютер, установленный у диспетчера. В случае срабатывания защиты оперативный персонал имеет возможность сразу же получить информацию о месте действия и характере повреждения силовых цепей.

Но самой сложной задачей, решаемой интерфейсами связи, являются системы централизованного управления сложными производственными процессами – АСУ ТП. У оператора промышленной установки на столе есть компьютер, на дисплее которого он видит текущее состояние процесса: температуры, производительность, включенные и отключенные агрегаты, их режим работы. И имеет возможность всем этим управлять легким щелчком мыши.

Компьютер же обменивается данными с контроллерами – устройствами, преобразующими команды от датчиков на язык, понятный машине, и обратное преобразование: от языка машины в команды управления. Связь с контроллером, а также – между разными контроллерами, осуществляется через интерфейсы связи.

Интерфейс RS-232 — младший брат RS 485.

Нельзя хотя бы коротко не упомянуть об интерфейсе RS-232, который еще называют последовательным. Разъем под соответствующий порт имеют некоторые ноутбуки, а некоторые цифровые устройства (те же терминалы релейной защиты) снабжаются выходами для связи с помощью RS-232.

Для того, чтобы обмениваться информацией, нужно уметь ее передавать и принимать. У RS-232 для этого есть передатчик и приемник сигналов. Они имеются в каждом устройстве. Причем выход передатчика одного устройства (TX) соединяется со входом приемника другого устройства (RX). И, соответственно, по другому проводнику аналогичным образом сигнал движется в обратную сторону.

При этом обеспечивается полудуплексный режим связи, то есть, приемник и передатчик могут работать одновременно. Данные по кабелю RS-232 могут в одно и то же время перемещаться и в одну, и в другую сторону.

Недостаток этого интерфейса – низкая помехозащищенность. Это происходит из-за того, что сигнал в соединительный кабель и на прием, и на передачу формируется относительно общего провода – земли. Любая наводка, существующая даже в экранированном кабеле, может привести к сбою связи, потере отдельных битов информации. А это недопустимо при управлении сложными и недешевыми механизмами, где любая ошибка – авария, а потеря связи – длительный простой.

Поэтому RS-232 в основном применяется для небольших временных подключений ноутбука к цифровому устройству, например, для установки начальной конфигурации или исправления ошибок.

Организация интерфейса RS-485.

Главное отличие RS-458 от RS-232 – все приемники и передатчики работают на одну пару проводов, являющуюся линией связи. Провод земли при этом не используется, а сигнал в линии формируется дифференциальным методом. Он передается одновременно по двум проводам («А» и «В») в инверсном виде.

Если на выходе передатчика – логический «0», то на проводник «А» выдается нулевой потенциал. На проводнике «В» формируется сигнал «не 0», то есть – «1». Если передатчик транслирует «1», получается все наоборот.

В итоге получаем изменение напряжения сигнала между двумя проводами, представляющими собой витую пару. Любая наводка, попадая в кабель, изменяет напряжение относительно земли одинаково на обоих проводах пары. Но напряжение полезного сигнала формируется между проводами, а поэтому – ничуть не страдает от потенциалов на них.

Порядок обмена данными между устройствами по RS-485.

Все устройства, объединяемые интерфейсом RS-485, имеют всего два клеммы: «А» и «В». Для подключения к общей сети эти клеммы соединяются в параллельную цепь. Для этого от одного устройства к другому прокладывается цепочка кабелей.

При этом возникает необходимость упорядочить обмен данными между устройствами, установив очередность передачи и приема, а также – формат пересылаемых данных. Для этого служит специальная инструкция, называемая протоколом.

Протоколов обмена данными по интерфейсу RS-485 существует много, наиболее часто используемый – Modbas. Вкратце рассмотрим, как работает простейший протокол, и какие еще проблемы приходится решать с его помощью.

Для примера разберем сеть, в которой одно устройство собирает данные с нескольких источников данных. Это может быть модем и группа электросчетчиков. Для того, чтобы знать, от какого счетчика пойдут данные, каждому приемопередатчику присваивается номер, уникальный для данной сети. Номер присваивается и приемопередатчику модема.

Когда приходит пора собирать данные о расходе электроэнергии, модем формирует запрос. Сначала передается стартовый импульс, по которому все устройства понимают, что сейчас придет кодовое слово – посылка из последовательности нулей и единиц. В ней первые биты будут соответствовать номеру абонента в сети, остальное – данные, например, команда передать требуемую информацию.

Все устройства принимают посылку и сравнивают номер вызываемого абонента со своим собственным. Если они совпадают – выполняется команда, переданная в составе запроса. Если нет – устройство игнорирует его текст и не делает ничего.

При этом во многих протоколах посылается назад подтверждение, что команда принята к исполнению или выполнена. Если ответа нет, передающее устройство может повторить запрос определенное количество раз. Если реакции так и не последует, генерируются сведения об ошибке, связанные с неисправностью канала связи с молчащим абонентом.

Ответа может не последовать не только при поломке. При наличии сильных помех в канале связи, которые все-таки проникают туда, команды могут не доходить до пункта назначения. Еще они подвергаются искажениям и не правильно при этом распознаются.

Неверного выполнения команды допустить нельзя, поэтому в данные посылки вводят заведомо избыточную информацию – контрольную сумму. Она подсчитывается по определенному закону, прописанному в протоколе, на передающей стороне. На приемной подсчитывается контрольная сумма по такому же принципу и сравнивается с переданной. Если они совпадают, прием считается успешным, и команда выполняется. Если нет – устройство пересылает на передающую сторону сообщение об ошибке.

Требования к кабельным соединениям.

Для соединения устройств интерфейсом RS-485 используются кабели «витая пара». Хоть для передачи данный достаточно одной пары проводов, обычно применяются кабели минимум с двумя, чтобы был заложен резерв.

Для лучшей защиты от помех кабели экранируются, при этом экраны на всей линии соединяют друг с другом. Для этого на объединяемых устройствах помимо выводов «А» и «В» имеется клемма «СОМ». Заземляется линия только в одной точке, обычно в месте расположения контроллера, модема или компьютера. В двух точках это делать запрещено, чтобы избежать наводок, которые неизбежно пойдут по экрану из-за разности потенциалов в точках заземления.

Кабели соединяют только последовательно друг с другом, делать ответвления нельзя. Для согласования линии в ее конце подключается резистор с сопротивлением 120 Ом (это волновое сопротивление кабеля).

В целом монтаж кабельных линий интерфейса – простое занятие. Гораздо сложнее будет настроить аппаратуру, для чего понадобятся люди со специальными знаниями.

Для лучшего понимая работы интерфейса RS-485 предлагаем Вам посмотреть следующее видео:

pue8.ru

RS-485: подключение и управление

RS-485 представляет собой стандарт, который был впервые принят в Ассоциации электронной промышленности. На сегодняшний момент данный стандарт рассматривает электрические характеристики всевозможных приемников и передатчиков, использующихся в различных балансных цифровых системах.

Что он собой представляет?

Среди специалистов RS-485 представляет собой название достаточно популярного интерфейса, который активно используется в различных промышленных АСУТП для соединения нескольких контроллеров, а также множества других устройств между собой. Главным отличием данного интерфейса от не менее распространенного RS-232 является то, что он предусматривает объединение одновременно нескольких видов оборудования.

При помощи RS-485 обеспечивается скоростной обмен информацией между несколькими устройствами через единственную двухпроводную линию связи в полудуплексном режиме. Его достаточно широко используют в современной промышленности в процессе формирования АСУТП.

Дальность и скорость

При помощи данного стандарта достигается транслирование информации на скорости до 10 Мбит/с, при этом предельно возможная дальность будет непосредственно зависеть от того, с какой скоростью транслируются данные. Таким образом, для обеспечения предельной скорости данные могут передаваться не далее чем на 120 метров, в то время как при скорости 100 кбит/с информация транслируется более чем на 1200 метров.

Количество объединяемых устройств

Количество устройств, которые может объединять в себе интерфейс RS-485, будет непосредственно зависеть от того, какие в устройстве используются приемопередатчики. Каждый передатчик рассчитан на одновременное управление 32 стандартными приемниками, однако при этом нужно понимать, что есть приемники, входное сопротивление которых составляет 50 %, 25 % или даже еще меньшую часть от стандартного, и в случае использования такого оборудования общее количество устройств будет увеличиваться соответственно.

Разъемы и протоколы

Кабель RS-485 не нормирует какой-то определенный формат информационных кадров или же протокол обмена. В преимущественном большинстве случаев для передачи данных применяются точно такие же фреймы, которые использует RS-232, то есть биты данных, стоповый и стартовый биты, а также бит паритета в случае необходимости.

Работа протоколов обмена в большинстве современных систем осуществляется по принципу «ведущий-ведомый», то есть какое-то устройство в сети является ведущим и берет на себя инициативу обмена посылкой запросов между всеми подчиненными устройствами, различающимися между собой по логическим адресам. Наиболее популярным протоколом на сегодняшний день является Modbus RTU.

Стоит отметить, что кабель RS-485 не имеет также какого-то определенного типа соединителей или же распайки, то есть могут встречаться клеммные соединители, DB9 и другие.

Подключение

Чаще всего с применением данного интерфейса встречается локальная сеть, объединяющая в себе одновременно несколько приемопередатчиков.

Осуществляя подключение RS-485, нужно грамотно объединять между собой сигнальные цепи, называемые обычно А и В. В данном случае переполюсовка является не такой страшной, просто подключенные устройства не будут работать.

Полезные советы

Используя интерфейс RS-485, вам следует учитывать несколько особенностей его работы:

  • Наиболее оптимальная среда для передачи сигнала – это кабель на основе витой пары.
  • Концы кабеля в обязательном порядке нужно заглушить при помощи специализированных терминальных резисторов.
  • Сеть, в которой используется стандартный или USB RS-485, должна пролагаться без каких-либо ответвлений по топологии шины.
  • Устройства должны быть подключены к кабелю проводами минимально возможной длины.

В данном случае наиболее оптимальное решение для того, чтобы проложить интерфейс RS-485, – это витая пара, так как она отличается минимально паразитным излучением сигнала, а также отличается весьма неплохой защитой от наводок. Если оборудование будет работать в условиях слишком высоких внешних помех, лучше использовать кабели с экранированной витой парой, при этом экран кабеля объединяется с защитным заземлением.

Согласование

При помощи терминальных резисторов стандартный или USB RS-485 обеспечивает полноценное согласование открытого конца кабеля с последующей линией, полностью исключая возможность отражения сигнала.

Номинальное сопротивление резисторов является соответствующим волновому сопротивлению кабеля и для тех кабелей, которые основываются на витой паре, в преимущественном большинстве случаев составляет приблизительно 100-120 Ом. К примеру, достаточно популярный на сегодняшний день кабель UTP-5, активно использующийся в процессе прокладки Ethernet, имеет волновое сопротивление 100 Ом. Для других вариантов кабеля может использоваться и какой-нибудь другой номинал.

Резисторы в случае необходимости могут запаиваться на контактах кабельных разъемов уже в конечных устройствах. Редко резисторы устанавливаются в самом устройстве, вследствие чего для подключения резистора приходится устанавливать перемычки. В данном случае, если осуществляется отключение устройства, линия полностью рассогласовывается. И для того чтобы обеспечить нормальную работу всей остальной системы, нужно подключить согласующую заглушку.

Уровни сигналов

Порт RS-485 использует балансную схему транслирования данных, то есть уровни напряжения на сигнальных цепях А и В будут изменяться в противофазе.

При помощи датчика должен обеспечиваться уровень сигнала 1.5 В при предельной нагрузке, а также не более 6 В в том случае, если устройство работает на холостом ходу. Уровень напряжения измеряется дифференциально, каждый сигнальный провод относительно другого.

Там, где находится приемник, минимальный уровень принимаемого сигнала в любом случае должен находиться на уровне не меньше 200 мВ.

Смещение

В том случае, если отсутствует сигнал на сигнальных цепях, происходит незначительное смещение, которым обеспечивается защита приемника от случаев ложного срабатывания.

Специалисты рекомендуют осуществлять смещение немного больше 200 мВ, так как данное значение является соответствующим зоне недостоверности входного сигнала по стандарту. В данном случае цепь А подтягивается к положительному полюсу источника, в то время как цепь В подтягивается к общему.

Пример

В соответствии с необходимым смещением и напряжением источника питания осуществляется расчет номиналов резисторов. К примеру, если нужно получить смещение на уровне 250 мВ при использовании терминальных резисторов RT = 120 Ом при том, что источник имеет напряжение 12 В. Учитывая, что в данном случае два резистора включены параллельно друг другу и при этом абсолютно не берут во внимание нагрузку со стороны приемника, ток смещения составляет 0.0042 А, в то время как общее сопротивление цепи смещения составляет 2857 Ом. Rсм в данном случае будет составлять приблизительно 1400 Ом, поэтому нужно выбрать какой-нибудь ближайший номинал.

В качестве примера будет использоваться резистор 1.5 кОм, предназначенный для смещения, а также внешний резистор на 12 вольт. Помимо этого, в нашей системе присутствует развязанный выход блока питания контроллера, представляющий собой ведущее звено в своем сегменте цепи.

Конечно, есть масса других вариантов реализации смещения, в которых используется преобразователь RS-485 и другие элементы, но в любом случае, осуществляя размещение цепей смещения, нужно учитывать то, что узел, который будет его обеспечивать, периодически будет выключаться или даже в конечном итоге может быть полностью удален из сети.

Если присутствует смещение, то в таком случае потенциал цепи А на полностью холостом ходу является положительным по отношению к цепи В, что является ориентиром, если будет подключаться новое устройство к кабелю без маркировки проводов.

Неправильная разводка и искажения

Выполнение указанных выше рекомендаций позволяет добиться нормальной передачи электрических сигналов в различные точки сети, если в качестве основы используется протокол RS-485. Если будет не соблюдено хотя бы какое-то из требований, будут возникать искажения сигнала. Наиболее заметные искажения начинают появляться в том случае, если скорость обмена данными превышает 1 Мбит/с, однако на самом деле даже в случае меньших скоростей крайне не рекомендуется пренебрегать указанными рекомендациями, даже если сеть «и так нормально работает».

Как программировать?

В процессе программирования различных приложений, работающих с устройствами, использующими разветвитель RS-485 и другие устройства с данным интерфейсом, нужно учитывать несколько важных моментов. Перечислим их:

  • Перед тем как будет начинаться выдача посылки, нужно в обязательном порядке активировать передатчик. Несмотря на то что по информации определенных источников выдача может осуществляться сразу же после включения, некоторые эксперты рекомендуют первоначально выдержать паузу, которая по времени будет равна скорости передачи одного фрейма. В данном случае корректная программа приема успеет полностью определить ошибки переходного процесса, проведет процедуру нормализации и подготовится к последующему приему данных.
  • После того как будет выдан последний байт данных, также рекомендуется выдержать паузу перед тем, как отключать RS-485 устройство. В частности, это связано с тем, что в контроллере последовательного порта зачастую присутствует одновременно два регистра, первый из которых является параллельным входным и предназначается для приема данных, в то время как второй является сдвиговым выходным и используется для последовательного вывода. Любые прерывания по передаче контроллером формируются в случае опустошения входного регистра, когда информация уже была предоставлена в сдвиговый регистр, но еще не была выдана. Именно по этой причине после того, как будет прервана трансляция, нужно выдержать определенную паузу перед отключением передатчика, которая должна быть по времени приблизительно больше на 0.5 бита, чем фрейм. Для осуществления более точных расчетов рекомендуется детально изучить техническую документацию используемого контроллера последовательного порта.
  • Так как передатчик, приемник и, возможно, конвертер RS-485 подключены к единственной линии, собственный приемник будет воспринимать также передачу, осуществляемую собственным передатчиком. Нередко случается так, когда в системах, характеризующихся произвольным доступом к линии, данная особенность используется в процессе проверки отсутствия столкновения между двумя передатчиками. В стандартных системах, работающих в соответствии с принципом «ведущий-ведомый», в процессе передачи рекомендуется полностью закрывать прерывания от приемника.

Конфигурация формата «шина»

Данный интерфейс предусматривает возможность объединения устройств по формату «шина», когда все устройства объединяются при помощи единственной пары проводов. В данном случае линия связи в обязательном порядке должна согласовываться оконечными резисторами двух концов.

Для обеспечения согласования в данном случае устанавливаются резисторы, характеризующиеся сопротивлением 620 Ом. Они устанавливаются всегда на первом и последнем устройстве, подключенном к линии. В преимущественном большинстве современных устройств присутствует также встроенное согласующее сопротивление, которое в случае необходимости можно включить в линию посредством установки специальной перемычки на плату прибора.

Так как в состоянии поставки перемычки изначально установлены, нужно первоначально снять их со всех устройств, соответственно, кроме первого и последнего, подключенных к линии. В преобразователях-повторителях модели С2000-ПИ для каждого отдельного выхода согласующее сопротивление включается с помощью переключателя, в то время как устройства С2000-КС, а также С2000-К характеризуются встроенным согласующим сопротивлением, вследствие чего перемычка, необходимая для его подключения, отсутствует.

Для того чтобы обеспечить более длинную линию связи, рекомендуется использовать специализированные повторители-ретрансляторы, оснащенные полностью автоматическим переключением направления передачи.

Конфигурация формата «звезда»

Любые ответвления в линии RS-485 являются нежелательными, потому что в данном случае появляется достаточно сильное искажение сигнала, однако с практической точки зрения их можно допустить в том случае, если присутствует небольшая длина ответвления. В данном случае не требуется установка согласующих резисторов на отдельных ответвлениях.

В распределительной системе RS-485, управление которой осуществляется с пульта, если последний и устройства подключены к одной линии, но питаются от разных источников, нужно будет объединять цепи 0 В всех устройств и пульта для того, чтобы обеспечить выравнивание их потенциалов. Если данное требование не будет соблюдено, то в таком случае пульт может иметь неустойчивую связь с устройствами. Если будет использоваться кабель с несколькими витыми парами проводов, то в таком случае для цепи выравнивания потенциалов при необходимости может использоваться полностью свободная пара. Помимо всего прочего, предусматривается также возможность применения экранированной витой пары в том случае, если отсутствует заземление экрана.

Что нужно учитывать?

В преимущественном большинстве ток, который проходит по проводу выравнивания потенциалов, является достаточно маленьким, однако в том случае, если 0 В устройств или же самих источников питания будут подключаться к нескольким локальным шинам заземления, разность потенциалов между различными цепями 0 В может составлять несколько единиц, а в некоторых случаях даже десятков вольт, в то время как ток, протекающий по цепи выравнивания потенциалов, может являться довольно значительным. Именно это является частой причиной того, что присутствует неустойчивая связь между пультом и устройствами, вследствие чего они даже могут выходить из строя.

Именно по этой причине нужно исключить возможность заземления цепи 0 В или же, как максимум, заземлять данную цепь в какой-то определенной точке. Также нужно учитывать возможность взаимосвязи между 0 В и цепью защитного заземления, присутствующей в том оборудовании, которое используется в системе ОПС.

На объектах, для которых характерна достаточно тяжелая электромагнитная обстановка, предусматривается возможность подключения данной сети через кабель "экранированная витая пара". В данном случае может присутствовать меньшая предельная дальность, так как емкость кабеля является более высокой.

fb.ru

RS-485: подключение и управление

Стандарт RS-485 впервые был принят в Ассоциации электронной промышленности. Сегодня он рассматривает электрические характеристики различных приемников и передатчиков, которые используются в балансных цифровых системах.

Что собой представляет данный стандарт?

RS-485 является названием известного интерфейса, активно использующегося во всевозможных промышленных АСУТП с целью соединения определенных контроллеров и многих других устройств между собой. Основное отличие этого интерфейса от RS-232 состоит в том, что он предполагает объединение одновременно нескольких разновидностей оборудования. При использовании RS-485 гарантируется скоростной обмен данными между несколькими устройствами путем применения единственной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Он задействован в современной промышленности при создании АСУТП.

Дальность и скорость

С помощью представленного стандарта можно добиться транслирования информации на скорости до 10 Мбит/с. Стоит отметить, что при этом предельно возможная дальность непосредственно зависит от скорости транслирования данных. Стоит отметить, что для обеспечения предельной скорости информация способна передаваться не дальше 120 метров. В это же время при скорости 100 кбит/с данные транслируются более чем на 1200 метров.

Число объединяемых устройств

Количество устройств, которые способен объединять в себе интерфейс RS-485, непосредственно зависит от того, какие в них задействованы приемопередатчики. Каждый передатчик предусматривает определенное управление 32 стандартными приемниками. Правда, следует при этом знать, что существуют приемники с входным сопротивлением, которое на 50 %, 25 % или меньшей частью отличаются от стандартного. Если использовать данное оборудование, общее число устройств увеличивается соответственно.

Разъемы и протоколы

Шнур RS-485 не способен нормировать какой-либо определенный формат информационных кадров или протокол обмена. Как правило, для трансляции применяются аналогичные фреймы, используемые RS-232. Другими словами, биты данных, стоповый и стартовый биты, а также бит паритета, если это необходимо. Что касается работы протоколов обмена, в большинстве современных систем она выполняется по принципу «ведущий-ведомый». Это означает, что определенное устройство в сети выступает ведущим и инициатором обмена посылкой запросов между подчиненными устройствами, которые различаются между собой по логическим адресам. Самым известным протоколом в настоящее время является Modbus RTU. Необходимо заметить, что кабель RS-485 не обладает определенным типом соединителей или распайки. Другими словами, встречаются клеммные соединители, DB9 и прочие.

Подключение

Зачастую с использованием представленного интерфейса встречается локальная сеть, которая объединяет в себе одновременно несколько разновидностей приемопередатчиков. Выполняя подключение RS-485, необходимо грамотно объединять между собой сигнальные цепи. Как правило, они называются А и В. Таким образом, переполюсовка не представляет собой ничего страшного, просто подключенные устройства перестают работать.

Полезные рекомендации

При использовании интерфейса RS-485 необходимо учитывать определенные особенности его работы. Таким образом, рекомендации следующие:

1. Оптимальная среда для транслирования сигнала – кабель, созданный на основе витой пары.
2. Концы шнура в обязательно следует заглушить с помощью специализированных терминальных резисторов.
3. Сеть, где применяется стандартный или USB RS-485, должна пролагаться без ответвлений по топологии шины.
4. Устройства должны подключаться к кабелю кабелями минимально возможной длины.

Наиболее оптимальным решением для того, чтобы проложить интерфейс RS-485, является использование витой пары. Она отличается минимально паразитным излучением сигнала, хорошей защитой от наводок. Когда оборудование работает в условиях чрезвычайно высоких внешних помех, лучше применять кабели, обладающие экранированной витой парой. Стоит отметить, что при этом экран кабеля соединяется с защитным заземлением.

Согласование

С помощью терминальных резисторов стандартный или USB RS-485 гарантирует полноценное согласование открытого конца шнура с последующей линией. При этом целиком исключается возможность отражения сигнала. Номинальное сопротивление резисторов, сопутствующее волновому сопротивлению кабеля и проводам, основанных на витой паре, как правило, составляет около 100-120 Ом. Например, известный в настоящее время кабель UTP-5, который зачастую используется в процессе прокладки Ethernet, обладает волновым сопротивлением 100 Ом.

Что касается других вариантов кабеля, может быть применен и другой номинал. Резисторы способны запаиваться на контактах кабельных разъемов в конечных устройствах, если это необходимо. Нечасто резисторы монтируются в самом оборудовании, в результате чего для подключения резистора необходимо устанавливать перемычки. В этом случае, когда выполняется подключение устройства, линия рассогласовывается. Чтобы гарантировать нормальное функционирование всей остальной системы, понадобится подключить согласующую заглушку.

Уровни сигналов

Порт RS-485 применяет балансную схему передачи данных. Другими словами, уровни напряжения на сигнальных цепях А и В изменяются в противофазе. С помощью датчика обеспечивается уровень сигнала, составляющий 1.5 В, с учетом предельной нагрузки. Кроме того, предусмотрено не более 6 В в том случае, когда устройство функционирует на холостом ходу. Уровень напряжения замеряется дифференциально. В месте пребывания приемника минимальный уровень получаемого сигнала должен быть не меньше 200 мВ.

Смещение

Когда наблюдается отсутствие сигнала на сигнальных цепях, осуществляется небольшое смещение. Ним обеспечивается защита приемника в случае ложного срабатывания. Специалисты советуют выполнять смещение слегка больше 200 мВ, потому что это значение считается соответствующим зоне недостоверности входного сигнала по стандарту. В такой ситуации цепь А приближается к положительному полюсу источника, а цепь В подтягивается к общему.

Пример

Соответствуя требуемому смещению и напряжению источника питания, выполняется расчет номиналов резисторов. Например, если следует получить смещение, находящееся на уровне 250 мВ при задействовании терминальных резисторов, RT = 120 Ом. Стоит при этом отметить, что источник обладает напряжением 12 В. С учетом того, что в этом случае два резистора подключены параллельно друг другу и совершенно не принимают во внимание нагрузку со стороны приемника, ток смещения достигает 0.0042. В это же время общее сопротивление цепи смещения равняется 2857 Ом. Rсм при этом будет составлять около 1400 Ом. Таким образом, потребуется выбрать ближайший номинал. Примером будет взят резистор 1.5 кОм. Он необходим для смещения. Кроме того, используется внешний резистор на 12 вольт.

Также необходимо отметить и то, что в системе существует развязанный выход блока питания контроллера, который представляет собой главное звено в собственном сегменте цепи. Правда, имеются и другие варианты выполнения смещения, где задействован преобразователь RS-485 и иные элементы, однако все равно следует учитывать то, что узел, обеспечивающий смещение, иногда будет отключаться или в конечном итоге полностью удалится из сети. Когда существует смещение, потенциал цепи А на полностью холостом ходу считается положительным по отношению к цепи В. Это выступает в качестве ориентира при подключении нового оборудования к кабелю без использования маркировки проводов.

Неправильная разводка и искажения

Осуществление рекомендаций, указанных выше, дает возможность достичь корректной трансляции электрических сигналов в разные точки сети, когда в виде основы задействован протокол RS-485. Если хотя бы одно из требований не будет выполнено, возникает искажение сигнала. Самые заметные искажения появляются тогда, когда скорость обмена информацией выше 1 Мбит/с. Правда, даже при меньших скоростях не рекомендуется пренебрегать данными советами. Это правило действует и при нормальном функционировании сети.

Как программировать?

Во время программирования всевозможных приложений, которые работают с устройствами, применяемыми разветвитель RS-485 и прочие устройства с представленным интерфейсом, следует учитывать несколько важных моментов.

Прежде чем начнется выдача посылки, обязательно необходимо активировать передатчик. Стоит отметить, что по информации некоторых источников выдача способна осуществляться сразу после активации. Несмотря на это, некоторые эксперты советуют сначала выдержать паузу, по времени равную скорости трансляциии одного фрейма. При этом корректная программа приема может успеть полностью выявить ошибки переходного процесса, который способен провести процедуру нормализации и подготовится к очередному приему данных.

Когда будет выдан последний байт данных, необходимо также выдержать паузу, прежде чем отключать RS-485 устройство. Это в некотором смысле связано с тем, что в контроллере последовательного порта часто находится одновременно два регистра. Первый является параллельным входным, он предназначен для приема информации. Второй считается сдвиговым выходным, он применяется с целью последовательного вывода.

При передаче контроллером данных любые прерывания формируются при опустошении входного регистра. Это происходит тогда, когда информация уже была предоставлена в сдвиговый регистр, однако еще не выдана. В этом же состоит причина того, что после прекращения трансляции необходимо выдержать некоторую паузу перед выключением передатчика. Она по времени должна быть примерно больше на 0.5 бита, чем фрейм. При выполнении более точных расчетов советуется подробнее изучить техническую документацию контроллера последовательного порта, который используется.

Вполне возможно, что передатчик, приемник и конвертер RS-485 подключены к общей линии. Таким образом, собственный приемник начнет воспринимать также передачу, выполняемую собственным передатчиком. Зачастую бывает, что когда в системах, которые характеризуются произвольным доступом к линии, эта особенность применяется при проверке отсутствия столкновения между двумя передатчиками.

Конфигурация формата «шина»

Представленный интерфейс имеет возможность объединять устройства по формату «шина», когда все оборудование соединяется при использовании одной пары проводов. Это предусматривает то, что линия связи обязательно должна согласовываться оконечными резисторами двух концов. Чтобы это обеспечить, необходимо установить резисторы, которые характеризуются сопротивлением 620 Ом. Они монтируются всегда на первом и последнем устройстве, подсоединенном к линии.

Как правило, современные устройства имеют встроенное согласующее сопротивление. Если возникнет необходимость, его можно подключить в линию при помощи установки специальной перемычки на плату прибора. Стоит отметить, что состояние поставки перемычки сначала установлены, поэтому требуется снять их со всех устройств, кроме первого и последнего. Необходимо также заметить, что в преобразователях-повторителях модели С2000-ПИ для отдельного выхода согласующее сопротивление активируется с применением переключателя. Что касается устройств С2000-КС и С2000-К, которые характеризуются встроенным согласующим сопротивлением, перемычки, требуемой для его подключения, не существует. Чтобы обеспечить длинную линию связи, желательно использовать специализированные повторители-ретрансляторы, которые предварительно оснащены полностью автоматическими переключениями направления передачи.

Конфигурация формата «звезда»

Все ответвления в линии RS-485 считаются нежелательными, так как в этом случае возникает чрезмерное искажение сигнала. Хотя, с точки зрения практики, существует возможность допустить это тогда, когда существует небольшая длина ответвления. При этом не нужна установка согласующих резисторов на отдельных ответвлениях.

В системе RS-485, где управление предусмотрено при использовании пульта, когда резисторы и устройства подсоединены к одной линии, однако питаются от различных источников, необходимо объединять цепи 0 В всех устройств и пульта, чтобы достичь выравнивания их потенциалов. Когда это требование не будет соблюдаться, пульт способен обладать неустойчивой связью с устройствами. При использовании провода с несколькими витыми парами, для цепи выравнивания потенциалов можно применить полностью свободную пару, если в этом возникнет необходимость. Кроме того, предусмотрена возможность задействовать экранированную витую пару, если отсутствует заземление экрана.

Что следует учитывать?

В большинстве случаев ток, проходящий по проводу выравнивания потенциалов, считается довольно маленьким. Если 0 В устройств или же самих источников питания подключаются к нескольким локальным шинам заземления, то разность потенциалов между разными цепями 0 В способна достигать несколько единиц. Иногда данное значение находится на отметках десятков вольт, а ток, который протекает по цепи выравнивания потенциалов, является достаточно значительным. Зачастую в этом и состоит причина того, что возникает неустойчивая связь между пультом и устройствами. В результате они даже способны выйти из строя.

Таким образом, необходимо исключить возможность заземления цепи 0 В или же заземлять эту цепь в определенной точке. Кроме того, следует принимать во внимание возможность взаимосвязи между 0 В и цепью защитного заземления, которая присутствует оборудовании, используемом в системе ОПС. Стоит отметить, что на объектах, где характерна относительно тяжелая электромагнитная обстановка, существует возможность подключиться этой сети путем использования кабеля «экранированная витая пара». Остается подчеркнуть, что в данной ситуации может существовать меньшая предельная дальность, потому что емкость провода считается более высокой.

bezwindowsa.ru

все еще самый надежный промышленный интерфейс

В условиях промышленного применения беспроводные линии передачи данных никогда не смогут полностью заменить проводные. Среди последних самым распространенным и надежным до сих пор остается последовательный интерфейс RS-485. А производителем наиболее защищенных от внешних воздействий и разнообразных по конфигурации и степени интеграции приемопередатчиков для него, в свою очередь, остается компания Maxim Integrated.

Несмотря на рост популярности беспроводных сетей, наиболее надежную и устойчивую связь, особенно в жестких условиях эксплуатации, обеспечивают проводные. Правильно спроектированные проводные сети позволяют реализовать эффективную связь в промышленных приложениях и в системах автоматизированного управления производственными процессами, обеспечивая устойчивость к помехам, электростатическим разрядам и перенапряжениям. Отличительные особенности интерфейса RS-485 обусловили его широкое применение в индустрии.

Сравнение интерфейсов RS-485 и RS-422

Приемопередатчик RS-485 является наиболее распространенным интерфейсом физического уровня для реализации сетей с последовательной передачей данных, предназначенных для жестких условий эксплуатации в промышленных применениях и в системах автоматизированного управления зданиями. Данный стандарт последовательного интерфейса обеспечивает обмен данными с высокой скоростью на сравнительно большое расстояние по одной дифференциальной линии (витой паре). Основная проблема применения RS-485 в промышленности и в системах автоматизированного управления зданиями состоит в том, что электрические переходные процессы, возникающие при быстрой коммутации индуктивных нагрузок, электростатические разряды, а также импульсные перенапряжения, воздействуя на сети автоматизированных систем управления, способны исказить передаваемые данные или привести к выходу их из строя.

В настоящее время существует несколько типов интерфейсов передачи данных, каждый из которых разработан для конкретных применений с учетом требуемого набора параметров и структуры протокола. К числу интерфейсов последовательной передачи данных относятся CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I2C, I2S, LIN, SPI и SMBus, однако RS-485 и RS-422 по-прежнему остаются наиболее надежными, особенно в жестких условиях эксплуатации.

Интерфейсы RS-485 и RS-422 во многом схожи, однако имеют некоторые существенные отличия, которые необходимо учитывать при проектировании систем передачи данных. В соответствии со стандартом TIA/EIA-422, интерфейс RS-422 специфицирован для промышленных применений с одним ведущим устройством шины данных, к которой может быть подключено до 10 ведомых устройств (рисунок 1). Он обеспечивает передачу на скорости до 10 Мбит/с, используя витую пару, что позволяет повысить помехоустойчивость и достичь максимально возможной дальности и скорости передачи данных. Типичные области применения RS-422 – автоматизация производственных процессов (производство химикатов, пищевое производство, бумажные фабрики), комплексная автоматизация производства (автомобильная и металлообрабатывающая промышленность), системы вентиляции и кондиционирования, системы безопасности, управление двигателями и контроль за перемещением объектов.

Рис. 1. Интерфейс RS-422 с подключением нескольких приемных устройств к общей двухпроводной линии связи

RS-485 обеспечивает более высокую гибкость благодаря возможности использования нескольких ведущих устройств на общей шине, а также увеличения максимального числа устройств на шине с 10 до 32. Согласно стандарту TIA/EIA-485, интерфейс RS-485 по сравнению с RS-422 имеет более широкий диапазон синфазного напряжения (-7…12 В вместо ±7В) и несколько меньший диапазон дифференциального напряжения (±1,5 В вместо ±2 В), что обеспечивает достаточный уровень сигнала приемника при максимальной нагрузке линии. Используя расширенные возможности многоточечной шины данных, можно создавать сети устройств, подключенных к одному последовательному порту RS-485. Благодаря высокой помехоустойчивости и возможности многоточечных подключений RS-485 является наилучшим среди последовательных интерфейсов для использования в промышленных распределенных системах, подключаемых к программируемому логическому контроллеру (PLC), графическому контроллеру (HMI) или другим контроллерам для сбора данных. Поскольку RS-485 является расширенным вариантом RS-422, все устройства RS-422 могут подключаться к шине, управляемой ведущим устройством RS-485. Типичные области применения для RS-485 аналогичны перечисленным выше областям применения RS-422, при этом более частое использование RS-485 объясняется его расширенными возможностями.

RS-485 – самый популярный промышленный интерфейс

Стандарт TIA/EIA-485 допускает использование RS-485 на расстоянии до 1200 м. На более коротких дистанциях скорости передачи данных – более 40 Мбит/с. Использование дифференциального сигнала обеспечивает интерфейсу RS-485 более высокую дальность, однако скорость передачи данных уменьшается по мере увеличения длины линии. На скорость передачи данных влияет также площадь сечения проводов линии и число устройств, подключенных к ней. При необходимости получения одновременно большой дальности и высокой скорости передачи данных рекомендуется использовать приемопередатчики RS-485 со встроенной функцией высокочастотной коррекции, например, MAX3291. Интерфейс RS-485 может использоваться в полудуплексном режиме с применением одной витой пары проводов или в дуплексном режиме с одновременными передачей и приемом данных, что обеспечивается использованием двух витых пар (четыре провода). В многоточечной конфигурации в полудуплексном режиме RS-485 способен поддерживать до 32 передатчиков и до 32 приемников. Однако микросхемы приемопередатчиков нового поколения имеют более высокий входной импеданс, что позволяет снизить нагрузку приемника на линию от 1/4 до 1/8 стандартного значения. Например, при использовании приемопередатчика MAX13448E число приемников, подключаемых к шине RS-485, может быть увеличено до 256. Благодаря расширенному многоточечному интерфейсу RS-485 имеется возможность построения сетей различных устройств, подключенных к одному последовательному порту, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Многоточечная полудуплексная приемопередающая система, используемая в промышленных приложениях

Чувствительность приемника составляет ±200 мВ. Следовательно, для распознавания одного бита данных уровни сигнала в точке подключения приемника должны быть больше +200 мВ для нуля и меньше -200 мВ для единицы (рисунок 3). При этом приемник будет подавлять помехи, уровень которых находится в диапазоне ±200 мВ. Дифференциальная линия обеспечивает также эффективное подавление синфазных помех. Минимальное входное сопротивление приемника составляет 12 кОм, выходное напряжение передатчика находится в диапазоне ± 1,5…± 5 В.

Рис. 3. Минимальные уровни сигналов в линии RS-485

Проблемы, связанные с использованием последовательного интерфейса в промышленной среде

Разработчики промышленных систем сталкиваются со сложными задачами по обеспечению их надежной эксплуатации в электромагнитной обстановке, способной вывести из строя оборудование или нарушить работу цифровых систем передачи данных. Одним из примеров подобных систем является автоматическое управление технологическим оборудованием на автоматизированном промышленном предприятии. Контроллер, управляющий процессом, измеряет его параметры, а также параметры окружающей среды, и передает команды исполнительным устройствам либо формирует аварийные оповещения. Промышленные контроллеры представляют собой, как правило, микропроцессорные устройства, архитектура которых оптимизирована для решения задач данного промышленного предприятия. Линии передачи данных топологии «точка-точка» в таких системах подвержены сильным электромагнитным помехам от воздействия окружающей среды.

Преобразователи постоянного напряжения, используемые в промышленном производстве, работают с высокими входными напряжениями и обеспечивают изолированные от входа напряжения для питания нагрузки. Для питания устройств распределенной системы, не имеющих собственного сетевого источника питания, используются напряжения 24 или 48 В DC. Питание оконечной нагрузки осуществляется напряжением 12 или 5 В, полученным путем преобразования входного напряжения. Системам, обеспечивающим связь с удаленными датчиками или исполнительными устройствами, требуется защита от переходных процессов, электромагнитных помех и разности потенциалов земли.

Многие компании, такие как Maxim Integrated, прилагают большие усилия, чтобы интегральные микросхемы для промышленных применений отличались высокой надежностью и устойчивостью к неблагоприятной электромагнитной обстановке. Приемопередатчики RS-485 производства компании Maxim содержат встроенные цепи защиты от высоковольтных электростатических разрядов и импульсных перенапряжений и обладают возможностью «горячей» замены без потери данных в линии.

Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий

Усиленная защита от ЭСР

Электростатический разряд (ЭСР) возникает при соприкосновении двух противоположно заряженных материалов, вследствие чего происходит перенос статических зарядов и формируется искровой разряд. ЭСР часто возникает при контакте людей с окружающими предметами. Искровые разряды, возникающие при небрежном обращении с полупроводниковыми приборами, могут существенно ухудшить их характеристики или привести к полному разрушению полупроводниковой структуры. ЭСР может возникнуть, например, при замене кабеля или простом прикосновении к порту ввода-вывода и привести к отключению порта вследствие выхода из строя одной или нескольких микросхем интерфейса (рисунок 4).

Рис. 4. Результат воздействия электростатического разряда на кристалл микросхемы с недостаточным уровнем защиты

Рис. 5. Упрощенная схема встроенной цепи защиты порта ввода-вывода от ЭСР

Подобные аварии могут приводить к значительным убыткам, так как повышают стоимость гарантийного ремонта и воспринимаются потребителями как следствие низкого качества продукта. В промышленном производстве ЭСР представляет собой серьезную проблему, способную причинить убытки в миллиарды долларов ежегодно. В реальных условиях эксплуатации ЭСР может привести к отказу отдельных компонентов, а иногда и системы в целом. Для защиты интерфейсов передачи данных могут использоваться внешние диоды, однако некоторые интерфейсные микросхемы содержат встроенные компоненты защиты от ЭСР и не требуют дополнительных внешних цепей защиты. На рисунке 5 показана упрощенная функциональная схема типовой встроенной цепи защиты от ЭСР. Импульсные помехи в сигнальной линии ограничиваются диодной схемой защиты на уровнях напряжения питания VCC и земли и, таким образом, защищают внутреннюю часть схемы от повреждений. Производимые в настоящее время микросхемы интерфейсов и аналоговые коммутаторы со встроенной защитой от ЭСР в основном соответствуют стандарту МЭК (IEC) 61000-4-2.

Компания Maxim Integrated инвестировала значительные средства в разработку микросхем с надежной встроенной защитой от ЭСР и в настоящее время занимает лидирующие позиции в производстве приемопередатчиков интерфейсов от RS-232 до RS-485. Данные устройства выдерживают воздействие испытательных импульсов ЭСР, соответствующих МЭК (IEC) 61000-4-2 и JEDEC JS-001, непосредственно на порты ввода-вывода. Решения компании Maxim в области защиты от ЭСР отличаются надежностью, доступностью, отсутствием дополнительных внешних компонентов и меньшей стоимостью по сравнению с большинством аналогов. Все микросхемы интерфейсов производства этой компании содержат встроенные элементы, обеспечивающие защиту каждого вывода от ЭСР, возникающих в процессе производства и эксплуатации. Приемопередатчики семейства MAX3483AE/MAX3485AE обеспечивают защиту выходов передатчиков и входов приемников от воздействия высоковольтных импульсов амплитудой до ±20 кВ. При этом сохраняется нормальный режим работы изделий, не требуется выключения и повторного включения питания. Кроме того, встроенные элементы защиты от ЭСР обеспечивают функционирование при включении и выключении питания, а также в дежурном режиме с низким энергопотреблением.

Защита от перенапряжений

В промышленных применениях входы и выходы драйверов RS-485 подвержены сбоям, возникающим в результате импульсных перенапряжений. Параметры импульсных перенапряжений отличаются от ЭСР – в то время как длительность ЭСР обычно находится в диапазоне до 100 нс, длительность импульсных перенапряжений может составлять 200 мкс и более. Причинами возникновения перенапряжений могут быть ошибки проводного монтажа, плохие контакты, поврежденные или неисправные кабели, а также капли припоя, которые могут образовывать токопроводящее соединение между силовыми и сигнальными линиями на печатной плате или в разъеме. Поскольку в промышленных системах электропитания используются напряжения, превышающие 24 В, воздействие таких напряжений на стандартные приемопередатчики RS-485, не имеющие защиты от перенапряжений, приведет к их выходу из строя в течение нескольких минут или даже секунд. Для защиты от импульсных перенапряжений обычные микросхемы интерфейса RS-485 требуют дорогостоящих внешних устройств, выполненных на дискретных компонентах. Приемопередатчики RS-485 со встроенной защитой от перенапряжений способны выдерживать синфазные помехи в линии передачи данных до ±40, ±60 и ±80 В. Компания Maxim производит линейку приемопередатчиков RS-485/RS-422 MAX13442E…MAX13444E, устойчивых к постоянным напряжениям на входах и выходах до ±80 В относительно земли. Элементы защиты функционируют независимо от текущего состояния микросхемы, – включена ли она, выключена или находится в дежурном режиме, – что позволяет характеризовать данные приемопередатчики как наиболее надежные в отрасли, идеально подходящие для промышленных применений. Приемопередатчики производства компании Maxim сохраняют работоспособность при перенапряжениях, обусловленных замыканием силовых и сигнальных линий, ошибками проводного монтажа, неправильным подключением разъемов, дефектами кабелей и неправильной эксплуатацией.

Устойчивость приемников к неопределенным состояниям линии

Важной характеристикой микросхем интерфейса RS-485 является невосприимчивость приемников к неопределенным состояниям линии, что гарантирует установку высокого логического уровня на выходе приемника при разомкнутых или замкнутых входах, а также при переходе всех передатчиков, подключенных к линии, в неактивный режим (высокоимпедансное состояние выходов). Проблема корректного восприятия приемником сигналов замкнутой линии данных решается путем смещения порогов входного сигнала до отрицательных напряжений -50 и -200 мВ. Если входное дифференциальное напряжение приемника VA – VB больше или равно -50 мВ – на выходе R0 устанавливается высокий уровень. Если VA – VB меньше или равно -200 мВ – на выходе R0 устанавливается низкий уровень. При переходе всех передатчиков в неактивное состояние и наличии в линии оконечной нагрузки дифференциальное входное напряжение приемника близко к нулю, вследствие чего на выходе приемника устанавливается высокий уровень. При этом запас помехоустойчивости по входу составляет 50 мВ. В отличие от приемопередатчиков предыдущего поколения, пороги -50 и -200 мВ соответствуют значениям ±200 мВ, установленным стандартом EIA/TIA-485.

Возможность «горячей» замены

Рис. 6. Упрощенная структурная схема защиты входа DE при горячей замене

Схема с «горячей» заменой исключает появление ложных импульсов в линии передачи данных при инициализации интерфейсного устройства или подключения его к объединительной панели. Схемы ограничения тока короткого замыкания и отключения по перегреву защищают приемопередатчик от чрезмерно большой рассеиваемой мощности. Горячая замена плат приемопередатчиков может вызвать нежелательные переходные процессы на линиях DE, DE/RE, RE и входах приемников A и B, которые могут привести к ошибкам в передаче данных. Например, при первоначальной установке платы процессор выполняет операции запуска по включению питания. В этом интервале времени выходы передатчика находятся в высокоимпедансном состоянии, что не позволяет им установить детерминированные уровни сигналов на входе приемника. В то же время ток утечки высокоимпедансного выхода на уровне 10 мкА или паразитная емкостная связь с цепями питания или земли могут создать напряжение смещения на входе приемника, которое будет воспринято им как неверное логическое состояние. Микросхемы приемопередатчиков MAX3440E/MAX3443E содержат встроенную схему удержания постоянных уровней линий DE, DE/RE и RE при «горячей» замене. При нарастании напряжения питания VCC внутренняя схема смещает уровень сигнала DE к земле (к напряжению питания для линии RE) и удерживает его не менее 10 мкс до тех пор, пока втекающий ток DE превышает 200 мкА. После этапа первоначального запуска по включению питания схема удержания уровней отключается и пропускает сигнал напрямую. Структурная схема защиты входов при горячей замене на примере входа DE показана на рисунке 6.

Во входной цепи разрешения работы приемопередатчика (DE) имеется два N-канальных МОП-транзистора – M1 и M2. При подаче питания VCC внутренний таймер на 15 мкс открывает транзистор M2 и устанавливает RS-триггер, который открывает также M1. Транзисторы M2 и M1 с токовыми стоками 2 мА и 100 мкА соответственно, смещают потенциал DE к земле через резистор 5,6 кОм. Транзистор M2 способен удерживать вывод DE в отключенном состоянии при внешней паразитной емкости до 100 пФ. По истечении 15 мкс таймер закрывает M2, а M1 остается открытым, удерживая низкий уровень DE, что препятствует смещению потенциала DE к высокому уровню вследствие токов утечки высокоимпедансных выходов передатчиков. M1 остается включенным до тех пор, пока ток внешнего источник тока не превысит требуемый входной ток. В этот момент RS-триггер сбрасывается и закрывает M1, при этом DE становится стандартным высокоомным КМОП-входом. При уменьшении VCC ниже 1 В вход отключается. Комплиментарная схема входа RE использует два P-канальных МОП-транзистора для смещения уровня RE к потенциалу VCC.

Заключение

Промышленные системы, в частности, автоматизированные производства, функционируют в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки, поэтому разработчику системного уровня необходимо учитывать наличие паразитных напряжений, возникающих при переходных процессах, и разрабатывать оборудование, устойчивое к внешним воздействиям. В большинстве сетей передачи данных используется наиболее надежный из последовательных интерфейсов – RS-485. Современные микросхемы приемопередатчиков RS-485 содержат встроенные элементы, реализующие усиленную защиту от электростатического разряда, защиту от перенапряжений и возможность горячей замены, что предохраняет микросхемы интерфейса RS-485 от неблагоприятных внешних воздействий, поддерживая тем самым высокую надежность системы передачи данных.

Литература

  1. Application note 4491, «Damage from a Lightning Bolt or a Spark–It Depends on How Tall You Are!»;
  2. Application note 5260, «Design Considerations for a Harsh Industrial Environment»;
  3. Application note 639, «Maxim Leads the Way in ESD Protection».
Наши информационные каналы
Рубрики: статья
О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

www.compel.ru

Подключение микроконтроллеров к шине RS-485


				

	
	
	
Дата: 6 Июля 2015. Автор: Алексей


	
	
По просьбе читателей, в теплый летний вечер, решил написать статейку на тему подключения микроконтроллеров к шине RS-485. Начнем я думаю с самого начала. Как известно на многих, да почти на всех микроконтроллерах присутствует периферийное устройство такое как Асинхронный Приемо/Передатчик или как он по буржуйски называется UART. Правда чаще встречается USART, но отличие лишь в линии синхроимпульсов, от чего в названии появляется Синхронно/Асинхронный Приемо/Передатчик. Но по сути для RS-485 это без разницы и сути шины не меняет. И так UART. UART имеет три основные линии RX, TX и GND. Линия RX занимается приемом данных из вне в МК. Линия TX занимается отправкой данных во внешний мир. А линия GND служет для создания потенциала относительно которого бегут биты. Если рассматривать UART на уровне AVR то многие кто с ним сталкивался хорошо знают про такой регистр как UDR. Самый прикол в том, что это двойной регистр. Да, бред но по одному и томуже адресу адресуются два разных регистра. UDR чтения и UDR записи. Отчего сам UART является полно дуплексным. То есть прием и передача могут производится одновременно. Ведь у UART две линии, одна для чтения, другая для записи. Зачем я все это рассказываю. Смотрите, давайте рассмотрим физические уровни для UART. Например мы что-то передаем. Если мы посылаем единицу, то на линии RX относительно GND появляется напряжение питания, а если нам нужно передать ноль, то линия RX прижимается к GND. При чтении тоже самое. А как себя ведет RS-485. Во первых он полудуплексный. То есть может либо читать из линии, либо писать в линию. Обидно, да, но... Есть еще такая штука как RS-422. В принципе это близнецы RS-485, только один работает только на прием, а другой только на передачу, а по физическим уровням повторяют точно RS-485. Честно говоря я такие штуки ни разу не встречал. Чаще все таки используют RS-485. Замечательно, полудуплексный. И как это выглядит? А вот как. Для передачи данных в отличии от UART линии требуется лишь два провода А и В. Как происходит передача. На линии А всегда выходит прямой сигнал, то есть если ноль то на линии относительно GND питания тоже GND, а при единице напряжение питания. А в это же время на линии В выводится ровно противоположный уровень. Муторно, да. Вот для наглядности картинка линии А, линии В и как они выглядят вместе.




Следовательно мы имеем дифференциальную линию передачи. В чем прикол такой задумки. Дело в том что если мы будем передавать сигнал прямо с UART то информация будет идти относительно земли и при возникновении электромагнитной помехи, данные могут исказится, за счет поглощения ее общим проводом. А в случае дифференциальной передачи по витой паре при возникновении помехи данные не изменятся, так как передача синфазная и помеха наводится но обоих проводах одновременно одинаково. С теорией разобрались, переходим к железу. Для реализации линии RS-485 существует масса микросхем. Есть с защитой, опторазвязкой. Короче этот огород сами разбирайте и пользуйте то что вам нужно, а здесь будем рассматривать работу шины на самой простой MAX485. Данная микросхема выпускается в 8-и ногом корпусе DIP и SOIC. Я чаще использую вторую, не люблю дырки сверлить)))




Поехали по порядку.


1 RO Выход приемника
2 RE Разрешение на прием
3 DE Разрешение на передачу
4 DI Вход передатчика
5 GND Общий
6 A Прямой вход/выход
7 B Инверсный вход/выход
8 Vcc Напряжение питания



Если внимательно присмотреться, то можно заметить что ножки управления противоположны. То есть мы их можем объединить и подавая разный сигнал заставлять работать микросхему либо на прием, либо на передачу. Вот картинка с полным подключением микросхемы.




В принципе все понятно кроме направления. Здесь все просто, когда на линии направления ноль, то микросхема переходит в режим приемника, а если на линии единица, то работает как передатчик. Отсюда следует что для передачи данных необходимо от МК три линии. RX для чтения, TX для передачи и PortX для направления. Теперь давайте рассмотрим как подключить два МК через шину RS-485.




Как видно из рисунка выше, обе микросхемы подключены каждая к своему МК и к своему питанию, а для связи используется лишь два провода которые соединены каждый к своему попарно. A к А, В к В. Такое подключение является самым простым и будет работать на небольших расстояниях. А что делать если нам нужно подключить два МК на большом расстоянии. Что может быть проще, делаем как было описано выше, только провод по длиннее. А вот и фигу. Так нельзя. Дело в том что два провода очень длинные и в них возникает волна при прохождении тока от передатчика до конца линии которая возвращается обратно. Это как в длинной трубе если один конец заткнут, а с другого заливать воду, то вода дойдя до конца отразится и вернется назад. Вот эта волна для шины является еще одной помехой. Решить данную проблему можно следующим образом. Берем два резистора и ставим их с обеих концов линии между А и В. Данные резисторы называются терминаторы и предназначены гасить эту волну.




Вроде бы все, да вот приспичило еще удлинить линию. И что? А вот что. Из-за длинного провода и отсутствия общего провода на линии может возникнуть небольшой потенциал. Эта пакость может прыгать и заставлять приемники ловить мусор. Что бы этого не происходило, производители микросхем рекомендуют удерживать на линии дельту в 200мв. Это можно добиться подтягиванием линии А к питанию, а линии В к общему с каждой стороны резистором 560 Ом.




И это опять еще не все грабли. Теперь смотрим со стороны МК. При подаче питания на схему МК сначала рестартует и на некоторое время по умолчанию переводит все порты на чтение что приводит к подвешиванию линий в воздухе. При этом на линии направления передачи может возникнуть наводка и переключить микросхему шины на передачу и выплюнуть что-нибудь в эфир. Чтоб такой пакости не произошло, необходимо подтянуть резистором на 10К линию к общему проводу, дав железную команду на чтение из шины.




И вторая грабля по тем же соображения требует подтяжки линии чтения к питанию. Засада в том что когда микросхема работает в режиме передачи, то она ножку приемника вешает в воздухе и небольшая помеха может создать случайный старт, UART МК начнет принимать мусор что приведет к получению ложных данных. Особенно если используется кольцевой буфер с заполнением по прерыванию.




Вот теперь вроде бы как и все. Ах да, еще рекомендуют, если линия совсем длиннющая чуть ли не километр, то необходимо витую пару брать с экраном, а концы экранов соединить с общим проводом на обеих концах для выравнивания потенциалов. Так же между общим проводом и заземлением установить резистор где-нибудь в 100R с обеих сторон. Вот теперь кажись все. Будут вопросы пишите. 
Юрий    07.07.15 11:53

Спасибо за статью. Статья получилась интересная и информативная, но расскажите как программно реализовать общение микроконтроллеров один главный, два ведомых. Спасибо.


Андрей    10.09.15 12:01

"Линия RX занимается приемом данных из вне в МК. Линия RX занимается отправкой данных во внешний мир. А линия GND служет для создания потенциала относительно которого бегут биты." - в статье опечатались, поравьте RX и TX.


Алексей    10.09.15 15:05

Спасибо. Точно, два раза RX написал. Поправил.


Владимир    16.11.15 13:40

Очень интересно! Спасибо! Буду пробовать!


Алексей    16.11.15 14:34

Владимир, учтите, это только для внутренних связей. Если необходимо связывать модули на дальних расстояниях и по улице, то необходима гальваническая развязка по питанию и опторазвязка по шине данных.


Андрей    11.01.16 13:25

Спасибо большое! Очень полезная статья!


Андрей    20.04.16 05:42

Есть ещё дуплексный вариант RS-485 (четыре провода). Хотелось, бы узнать ваше мнение и об этом варианте RS-485.


Алексей    20.04.16 08:13

Есть. Дай бог памяти он называется RS-422. Микросхема имеет четыре вывода, два на передачу и два на прием. Но в любом случае UART сам работает в полудуплексе и смысл использовать полный дуплекс не оправдан. Хотя я могу и ошибаться.


Дмитрий    20.06.16 13:45

>Чтоб такой пакости не произошло, необходимо подтянуть резистором на 10К линию к общему проводу, дав железную команду на чтение из шины. Для устройств Master и Slave подтяжка одинаковая? Или для Master лучше подтяжку к питанию, чтобы "по умолчанию" было вещание в шину? Линию DI не нужно подтягивать? А то на модулях от Aliexpress вообще все 4 линии подтянуты к питанию, а линии A и B подтянуты через 20k (у вас в статье 560 Ом): umnyjdomik.ru/wp-content/uploads/UART-TTL-RS-485-na-MAX485.jpg И как лучше всего сделать гальваническую развязку по питанию и опторазвязку по шине данных?


Алексей    20.06.16 17:48

Резисторы нужно ставить и на мастере и на слейве, так как при включении питания МК сначала ноги выставляет на чтение и через некоторое время инициализирует по программе. В это время можно наловит всякий мусор и послать на шину. Включающемуся МК это пофиг, а вот тем кто на шине сидит, не хорошо будет. Это как в кинотеатр зайти во время сеанса и громко разговаривая по телефону пробираться на свое место. Страшного ничего не произойдет только вот окружающие будут косо смотреть.))) " И как лучше всего сделать гальваническую развязку по питанию и опторазвязку по шине данных? " Использовать готовые микросхемы с гольваноразвязкой, а для питания использовать DC-DC преобразователи на физических трансформаторах. Либо использовать готовый драйвер с полной развязкой по шине и по питанию. Например такой ADM2582E


Руслан    20.04.17 22:25

Скажите пожалуйста, а про modbus протокол вам что нибудь извесно?


Алексей    21.04.17 13:33

Это промышленный протокол с открытым доступом. В сети много русскоязычной документации.


Дмитрий    26.12.17 13:45

Кстати одна из не многих толковых стаей по форме изложения.
Спасибо.


Павел    08.06.18 23:23

Спасибо за статью для чайников, особенно за вот это постепенное приближение к правильной схеме. А конденсаторов не надо куда-нибудь навтыкать для защиты от наводок?


Алексей    09.06.18 07:05

Нет.


Георгий    09.06.18 11:41

Здравствуйте, спасибо за отличную статью, как-раз сейчас делаю передатчик на max485cpa.

Вопрос - у вас в статье написано " а линии В к общему с каждой стороны резистором 560 Ом.". и так в нескольких местах в статье. А к чему "общему"?

или может быть "К общему" - имеется ввиду к общему GND?


Алексей    09.06.18 15:13

А к плюсу питания, а В к минусу питания. Эти резисторы нужны для зазора в 100мВ между линиями А и В.


Василий    16.06.18 13:05

Резисторы 560Ом вешаются на каждом устройстве в линии или только на одном или на обоих концах? Из логики описания в статье получается что эти резисторы нужны только на одном из концов линии. Но по картинке похоже что подключены к каждому из устройств.


Алексей    16.06.18 14:19

На одном. Нужно создать дельту для стабильности линии. А на конечных устройствах нужны терминаторы по 120Ом.


Василий    16.06.18 14:34

Понятно, спасибо за статью.








www.avrki.ru

Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485

RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.

Как было сказано выше стандарт содержит электрические характеристики приемников и передатчиков, которые могут быть использованы для передачи двоичных сигналов в многоточечных сетях, при этом стандарт не оговаривает другие характеристики: такие как качество сигнала, протоколы обмена, типы соединителей для подключения, линии связи. В результате неопределенности потребители часто испытывают трудности при подключении того или иного оборудования к сети RS-485. Порой неправильно разведенная сеть RS-485 способна свести к нулю затраченные на повышение автоматизации усилия, и может стать причиной постоянных отказов, сбоев и ошибок в работе оборудования. Цель данной статьи - предоставить пользователям рекомендации по подключению и практической реализации систем передачи данных на основе интерфейса RS-485.

1       Краткое описание стандарта

В основе интерфейса RS-485 лежит способ дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть данного метода заключается в следующем: по одному проводу (условно линия А) передается нормальный сигнал, а по второму проводу (условно линия В) передается инвертированный сигнал, таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов (рисунок 1). Для случая логической «единицы» разность потенциалов положительна, для логического «нуля» — отрицательна.

Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных

Преимуществом дифференциальной (балансной) передачи данных является высокая устойчивость к синфазным помехам. Синфазная помеха — помеха, действующая на обе линии связи одинаково. Зачастую линии связи прокладываются в местах подверженных неоднородным электромагнитным полям, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, будет наводить в обоих проводах потенциал. В случае RS-232 интерфейса полезный сигнал, который передается потенциалом относительно общего «земляного» провода был бы утерян. При дифференциальной передаче не происходит искажения сигнала в виду того, что помеха одинаково действует на оба проводника и наводит в них одинаковый потенциал, в результате чего разность потенциалов (полезный сигнал) остается неизменной. По этой причине линии связи интерфейса RS-485 представляют собой два скрученных между собой проводника и называются витой парой. Прямые выходы «А» подключаются к одному проводу, а инверсные «В» ко второму проводу (рисунок 2). В случае неправильного подключения выходов к линиям приемопередатчики не выйдут из строя, но при этом правильно функционировать они не будут.

Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485

2       Рекомендации по подключению

Конфигурация сети представляет собой последовательное присоединение приемопередатчиков к витой паре (топология «шина»), при этом сеть не должна содержать длинных ответвлений при подключении устройств, так как длинные ответвления вызывают рассогласования и отражения сигнала (рисунок 3).

Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.

Проблему отражений сигнала в интерфейсе RS-485 решают при помощи согласующих резисторов — «терминаторов», которые устанавливаются непосредственно у выходов двух приемопередатчиков максимально отдаленных друг от друга. Следует отметить, что в большинстве случаев «терминаторы» уже смонтированы в потребительских устройствах и подключаются к сети при помощи соответствующих перемычек на корпусе устройства. Номинал «терминатора» соответствует волновому сопротивлению кабеля, при этом нужно помнить, что волновое сопротивление кабеля зависит от его характеристик и не зависит от его длины. К примеру, для витой пары UTP-5, используемой для прокладки Ethernet волновое сопротивление составляет 100 ±15 Ом. Специализированный кабель Belden 9841…9844 для прокладки сетей RS-485 имеет волновое сопротивление 120 Ом, поэтому расчетами резистора — «терминатора» можно пренебречь и использовать 120 Ом.

Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485

Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.

Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.

Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи

Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.

Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.

Таблица 1

ПараметрЗначение
Максимальное число приемников/передатчиков 32/32
Максимальная длина кабеля, м 1200
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с 10
Уровень логической «1» передатчика, В +1,5…+6
Уровень логического «0» передатчика, В –1,5…–6
Диапазон синфазного напряжения передатчика, В –1…+3
Максимальный ток короткого замыкания передатчика, мА 250
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика, Ом 54
Порог чувствительности приемника, мВ ± 200
Допустимый диапазон напряжений приемника, В –7…+12
Уровень логической «1» приемника, мВ более +200
Уровень логического «0» приемника, мВ менее –200
Входное сопротивление приемника, кОм 12

Стандарт RS-485 (EIA/TIA-485) не регламентирует, по какому протоколу устройства сети должны связываться друг с другом. Наиболее распространенными протоколами связи на данный момент являются: Modbus, ProfiBus, LanDrive, DMX512 и другие. Передача информации осуществляется полудуплексно в большинстве случаев по принципу «ведущий» — «ведомый».

Порог чувствительности приемника составляет ± 200 мВ, то есть при разнице потенциалов на входе приемника в диапазоне от минус 200 мВ до плюс 200 мВ его выходное состояние будет находиться в состоянии неопределенности. Разность потенциалов более 200 мВ приемник принимает как логическую «1», а разность потенциалов менее минус 200 мВ приемник принимает как логический «0». Состояние неопределенности может произойти, когда ни один из передатчиков не активен, отключен от сети, либо находится в «третьем состоянии», либо все устройства сети находятся в режиме приема информации. Состояние неопределенности крайне нежелательно, так как оно вызывает ложные срабатывания приемника из-за несинфазных помех.

Использование защитного смещения позволяет исключить возможность возникновения неопределенного состояния в сети. Для этого линию А необходимо подтянуть резистором к питанию (pullup), а линию В резистором — к «земле» (pulldown). В результате, с учетом «терминаторов», получится резистивный делитель напряжения. Для надежной работы сети необходимо обеспечить смещение порядка 250…300 мВ (рисунок 5).

Рисунок 5 — Защитное смещение

Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.

Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:

Rсети = (Rобщ.терм · Rобщ.вх) / (Rобщ.терм + Rобщ.вх) = (60 · 6000) / (60 + 6000) = 60Ом.

Рассчитаем ток в цепи смещения:

Iсм= Uсм / Rсети = 0,250В / 60Ом = 0,0042А.

При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:

Rсм.общ = Uпит / Iсм = 5В / 0,0042А = 1140Ом.

Получаем сопротивление резисторов смещения:

Rсм = 1140 / 2 = 570Ом.

Выбираем ближайший номинал 560Ом.

Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения

Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.

Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.

Для гальванически развязанной линии резисторы смещения следует подтягивать к «земле» и питанию со стороны изолированной линии.

Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.

Если приборы, объединенные в одну сеть, питаются от различных источников или находятся на значительном удалении друг от друга, то необходимо дополнительным дренажным проводом объединить «земли» всех устройств. Это правило исходит из того, что разность потенциалов между линией и «землей» по стандарту не должна превышать от минус 7 до плюс 12 В. В случае, когда устройства находятся на значительном расстоянии друг от друга, либо питаются от разных источников разность потенциалов на входе приемопередатчика может превысить в несколько раз допустимый диапазон, что приведет к выходу из строя приемопередатчика. При этом следует учитывать, что подключение устройства к сети RS-485 нужно начинать именно с дренажного провода, а производя отключение устройства в последнюю очередь отсоединять дренажный провод. Для ограничения «блуждающих» токов в дренажном проводе его следует подключать к каждой сигнальной земле через резистор номиналом 100 Ом мощностью 0,5 Вт, помимо этого необходимо через такой же резистор 100 Ом 0,5 Вт подключить дренажный провод к защитному заземлению. Рекомендуем осуществлять защитное заземление дренажного провода в одной точке, чтобы исключить постоянное протекание «блуждающего» тока через него по сравнению со случаем, когда дренажный провод заземляется у каждого устройства. Не следует использовать экран кабеля в качестве дренажного провода.

Рисунок 7 — Использование дренажного провода для уравнивания
потенциала «земель»

Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.

Защита устройств сети RS-485 от дифференциальных перенапряжений составляющих десятки киловольт, например, попадание разряда молнии в линию, осуществляется за счет использования специальных защитных устройств. В простейшем случае все проводники линии шунтируются ограничителями напряжения на «землю» (рисунок 8а). Если заземление линии невозможно, то проводники линии шунтируются ограничителями между собой (рисунок 8б). Защита, организованная на варисторах, супрессорах, газоразрядных трубках, способна выдерживать лишь кратковременные всплески напряжения. Дополнительную защиту от токов короткого замыкания в линиях можно обеспечить при помощи установки в линию плавких предохранителей.

 

Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех

Как правило, устройства, работающие в сетях RS-485 помимо «терминаторов» имеют встроенную защиту от перенапряжений и импульсных помех. Подробнее об этом можно прочитать в руководстве по эксплуатации на конкретное устройство. Помимо этого на рынке существует множество готовых устройств подавления импульсных помех, принцип действия которых также основан на применении варисторов и газоразрядных трубок. Стоит лишь помнить, что каждое дополнительное устройство защиты, установленное в сети, вносит дополнительную емкость, эквивалентную емкости кабеля длинной 120…130 м.

Подведем итоги:

1. Следует избегать прокладки витой пары совместно с силовыми цепями, особенно в общей оплетке. Линии связи должны находиться не ближе чем 0,5 м от силовых цепей. Пересечение линий связи с силовыми цепями (если этого не избежать) желательно делать под прямым углом. Не рекомендуется использовать в качестве витой пары кабели менее 0,326 мм2 (22 AWG). Не допускается наличие «скруток» для сращивания кабеля.

2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется  использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.

3. Сеть должна иметь топологию «шина», не допускаются длинные ответвления от основной «шины».

4. Если для конечной системы не требуется высокого быстродействия, то не рекомендуется устанавливать скорость передачи данных «как можно выше». Наоборот максимальная надежность сети достигается на низких скоростях передачи.

5. Согласующие резисторы «терминаторы» устанавливаются в наиболее удаленных точках сети RS-485, обычно они уже смонтированы в устройствах пользователя, поэтому достаточно их только подключить перемычками или переключателями согласно руководству по эксплуатации на конкретное устройство. Сопротивление согласующих резисторов должно равняться волновому сопротивлению используемого кабеля, в противном случае их установка может только навредить.

6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.

7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.

8. При питании удаленного оборудования от различных источников рекомендуется использовать дренажный провод для уравнивания потенциала «земель», при этом следует помнить, что подключение устройства к сети следует начинать именно с дренажного провода, а при отключении устройства в последнюю очередь отключать дренажный провод.

9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.

10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.


www.eni-bbmv.ru

Интерфейс RS 485: описание

В этой статье мы разберем широко применяемый стандарт для промышленных сетей. Речь идет об интерфейсе RS 485. Представим его описание, техническую характеристику, а также сравнение с двумя другими популярными интерфейсами - RS 232, RS 422.

Определение понятия

Интерфейс RS 485 (расшифровка аббревиатуры: Recommended Standard 485) - стандарт физического уровня (электрическая и физическая среда для передачи информации) для асинхронного интерфейса (узла вычислительной техники, предназначенного для организации связи с иными электронными, цифровыми устройствами). В технической литературе также можно встретить следующее наименование интерфейса RS 485: Electronic Industries Alliance-485.

Данный стандарт регламентирует электрические параметры многоточечной полудуплексной дифференциальной линии связи (ее тип - "общая шина"). Сегодня интерфейс достаточно популярен в соответствующих областях промышленности. Что можно выделить прежде всего? Он стал базой для создания целого комплекса-семейства промышленных сетей, которые применяются в производственной автоматизации.

Теперь что касается двойного названия. Интерфейс RS 485 был разработан в результате сотрудничества двух корпораций: Telecommunications Industry Association (Ассоциации промышленных средств связи) и Electronic Industries Association (Ассоциации электронного производства). Раньше EIA для своих разработок использовала маркировку RS (в переводе с английского - "рекомендованный стандарт").

Однако потом корпорация заменила данный префикс на EIA/TIA, чтобы стало возможным легко идентифицировать создателей стандарта. Но все же многие инженеры предпочитают использовать в работе, технических статьях прежнюю маркировку RS.

Описание интерфейса

Чтобы разобраться с преобразователем интерфейса RS 485/RS 232 (последний мы кратко представим в заключении статьи), нужно знать основные параметры. Разберем самые главные:

  • Дальность и скорость. Интерфейс может обеспечить передачу информации со скоростью до 10 Мбит в секунду. Максимальная дальность тут будет зависеть от скорости.
  • Количество соединяемых аппаратов. Число устройств, подключенных к одной линии, зависит от разновидности применяемых приемопередатчиков. Один рассчитан на управление 32 приемниками стандартного типа.
  • Разъемы и протоколы. Разработанный стандарт не нормирует протокол обмена и форматы информационных кодов. Почему часто используются преобразователи интерфейсов RS 232/RS 485? Для передачи байтов информации здесь используются идентичные фреймы: стоповый и стартовый бит, биты паритета и данных. В большинстве систем протоколы будут функционировать по принципу "ведущий-ведомый". Как это выглядит? Одно из устройств магистрали избирается ведущим. Оно инициирует обмен, посылая соответствующие запросы подчиненным устройствам. Последние различаются по логическим адресам.

Технохарактеристики интерфейса

RS 485 - это одна витая пара проводов, которая и используется для приема и передачи данных. В некоторых случаях ее сопровождает общий провод или экранизирующая обводка.

Данные тут передаются путем дифференцированных сигналов. Логическая единица - разница напряжений между проводниками одной полярности, ноль - соответственно, разница напряжений между проводниками другой полярности.

Что важно знать о разветвителе интерфейса RS 485? Сам стандарт формирует только электрические и временные его (интерфейса) характеристики. При этом стандарт не будет оговаривать следующее:

  • Типы кабелей и соединителей.
  • Протокол обмена.
  • Различные протоколы качества сигнала (нормальный уровень отражений и искажений в длинных линиях).
  • Гальванические развязки линии связи.

Особенности временные и электрические

Приведем важные для инженеров характеристики популярного промышленного интерфейса RS 485:

  • В одном сегменте сети - до 32 приемопередатчиков.
  • Наибольшая продолжительность одного сегмента сети: 1200 метров.
  • Одномоментно активным здесь может быть только единственный передатчик.
  • Максимально допустимое число узлов в сети - 256 (учитывая количество магистральных усилителей).
  • Виды приемопередатчиков: потенциальный и дифференциальный.
  • Изменение выходных и входных напряжений на линиях А и В представлены таким образом: Ua (Ub) от −7 В до -12 В (соответственно, +7 В до +12 В).

Характеристики по скорости обмена данными, определяющей длину всей линии:

  • 62,5 Кбит/сек. - 1,2 тыс. метров (используется одна витая пара).
  • 375 Кбит/сек. - 500 метров (используется одна витая пара).
  • 500 Кбит/сек.
  • 1000 Кбит/сек.
  • 2400 Кбит/сек. - 100 метров (используются две витых пары).
  • 10000 Кбит/сек. - 10 метров.

Важное примечание для интерфейса RS 485. Стандарт оговаривает только следующие скорости: 62,5 Кбит/сек, 2400 Кбит/сек, 375 Кбит/сек. На всех иных (более 500 Кбит/сек) рекомендовано использование витых пар с экраном.

Теперь перейдем к требованиям, установленным для выходного каскада. Он должен представлять собой источник напряжения, имеющий малое сопротивление: |U вых|=1,5:5,0 В (не меньше 1,5 В и не больше 6,0 В). Отсюда выходит следующее:

  • Состояние логического "1": Ua меньше Ub - MARK, OFF. Для данного случая гистерезис 200 мВ.
  • Состояние логического "0": Ua больше Ub - SPACE, ON. Для данного случая гистерезис также 200 мВ. Надо сказать, что производители устройств (драйверов, микросхем) выбирают меньшие показатели - гистерезис от 10 мВ.
  • Выходной каскад обязательно должен выдерживать режимы короткого замыкания, а также иметь наибольший выходной ток 259 мА, схемы ограничения выходных мощностей, быстроту увеличения выходных сигналов 1,2 В/мкс.

При использовании разветвителя интерфейса RS 485 также важно быть в курсе требований, указанных для входного каскада. Он представляет собой дифференциальный вход, имеющий высокое входное сопротивление. Его пороговые характеристики: от +200 мВ до -200 мВ. Следующие важные сведения:

  • Входной сигнал представляется дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и больше).
  • Допустимый диапазон (относительно земли) входных напряжений: промежуток от -7 до +12 В.
  • Чтобы узнать уровни приемника входного каскада, следует обратиться к состоянию передатчика выходного каскада.

Характеристики сигнала

Повествуя о подключении RS 485, приведем и эту информацию. Для передачи сигнала стандартом определяются следующие линии:

  • Неинвертирующая А.
  • Инвертирующая В.
  • Ноль, необязательная общая линия С.

Согласно стандарту, также определяется следующее:

  • VA больше VB. Неравенство соответствует логическому 0. Это активное состояние шины.
  • VA меньше VB. Неравенство соответствует логической 1. Соответственно, это неактивное состояние шины.

Здесь при описании состояний шины будет применяться инверсная логика. А логика однополярных сигналов на выходе приемника и входе передатчика не будет определяться.

Хоть приведенное выше определение весьма недвусмысленное, нередко возникает путаница по поводу того, как следует правильно обозначать неинвертирующие и инвертирующие линии - А или В. Чтобы избежать ее (при подключении RS 485), инженерами используются иные обозначения. Например, "минус" и "плюс".

Но при этом большинство производителей все же придерживаются предписаний стандарта. Неинвертирующая линия обозначается символом А. Соответственно, высокий сигнальный уровень на входе передатчика станет соответствовать состоянию VA> VB на шине. Также неравенство будет тождественно высокому уровню сигнала, наблюдаемого на выходе приемника.

Смещение и согласование

Что важно знать в продолжение темы о разветвителе RS 485 еще? Предлагаем вам затронуть также информацию о помехах, которые могут возникнуть в линии связи.

И вот что важно знать об искажениях. При большой продолжительности линии связи часто появляются эффекты длинных линий. Корень проблемы кроется в распределенных индуктивных и емкостных свойствах кабелей. Что выходит в итоге? Сигнал, переданный в линию каким-либо из узлов, начинает искажаться по продолжительности распространения в ней (линии). Появляются сложные резонансные явления.

Так как кабель на своей длине отличается одинаковой конструкцией, одинаковыми распределенными параметрами погонной индуктивности и емкости, данное свойство будет характеризоваться специальным параметром. Это волновое сопротивление.

Если на одном конце кабеля будет подключен резистор с сопротивлением, идентичным волновому сопротивлению линии, то в итоге резонансные явления станут значительно слабее. Название подобного резистора - терминатор. Для сетей вида RS 485 он помещается на каждой из оконечностей длинных линий, так как обе стороны могут оказаться приемными. Волновое сопротивление самых популярных витых пар САТ5 - 100 ОМ. Иные разновидности имеют показатели в 150 Ом и более. А ленточные плоские кабели - до 300 Ом.

На практике номинал резистора выбирают и большего значения, нежели волновое сопротивление, так как омическое сопротивление кабеля порой становится настолько большим, что сигнальная амплитуда на приемной стороне становится слишком малой для устойчивого приема. Тут находят равновесие между резонансными и амплитудными искажениями, повышая номинал терминатора и снижая скорость интерфейса.

Разветвители RS 485 - широко применяемые устройства. Опять же стоит быть в курсе того, что для передачи сигнала через подсоединяемую витую пару характерен еще один источник его искажения. Это разные скорости распространения низкочастотных и высокочастотных сигналов (последние будут распространяться несколько быстрее).

Чтобы не было помех, линия связи должна последовательно обходить все передатчики. И еще важный момент. У витой пары не должно быть длинных отводов (участков-отрезов кабеля для подсоединения к узлу). Исключение: использование повторителей интерфейса, низкие скорости передачи данных (менее 9600 бит/с).

Если активный передатчик отсутствует, то уровень сигнала в линиях не определяется. Чтобы предотвратить ситуацию, когда разница между выходами В и А менее 200 мВ (неопределенное состояние), можно применить смещение с помощью специальной схемы или резисторов. Приемники станут принимать сигнал помехи в том случае, если состояние линий не определено. Для их стабилизации, качественного начала приема порой применяются передачи служебных последовательностей.

Особенности подключения

Кроме преобразователей RS 485, хочется подробнее остановиться на подключении. На основе этого интерфейса конструируется локальная сеть, объединяющая в себе несколько приемопередатчиков.

Самое важное здесь - правильно подсоединить сигнальные цепи, обозначенные А и В. Переполюсовка не будет страшной ошибкой. Но устройство в таком случае функционировать откажется.

При подключении рекомендуется иметь в виду следующие рекомендации специалистов:

  • Среда передачи сигнала - кабель на базе витой пары.
  • На концах кабеля обязательна заглушка терминальными резисторами (в пределах 120 Ом).
  • Сеть прокладывается без ответвлений, по топологии шины.
  • Устройства подключаются к кабелю при помощи проводов наименьшей длины.

Примеры использования

Преобразователи RS 485 распространены в промышленной сфере. Рассмотрим также сетевые протоколы, использующие данный стандарт:

  • High-Level Data Link Control.
  • ModBus.
  • LanDrive.
  • IEC 60870-5.
  • DMX512.

На основе RS 485 построены следующие промышленные сети:

  • ModBus.
  • LanDrive.
  • ProfiBus DP.

Рекомендации по программированию

Сфера применения преобразователя интерфейса RS 485 широка. В данном пункте мы подробнее остановимся на программировании тех приложений для контроллеров, что для связи используют данный интерфейс:

  • Перед началом посылки отключается передатчик. Необходимо выдержать паузу, которая по длительности равна одному фрейму (или же превышает его), включая при этом как стартовые, так и стоповые биты. Чем это хорошо? Приемник успеет нормализоваться и полностью подготовится к первой передаче фрейма данных.
  • После выдачи финального байта информации также рекомендуется выждать паузу перед дезактивацией передатчика. С чем это связано? У контроллеров последовательного порта два регистра: сдвиговый выходной для последовательного вывода и входной для передачи информации. Прерывание по передаче формируется контроллером только при опустошении его входного регистра. Информация здесь, получается, уже выложена в сдвиговой регистр, но еще не выдана. Поэтому с момента прерывания до дезактивации передатчика должна выдерживаться пауза. Ее ориентировочная продолжительность - на 0,5 бита более фрейма. Чтобы рассчитать точные значения, необходимо изучить сопроводительную документацию контроллера последовательного порта.
  • Так как и приемник, и передатчик данного интерфейса подключены к одной и той же линии, то возникает своеобразная ситуация. Приемник слышит передачу данных от собственного же передатчика. Если для системы характерен произвольный доступ к линии, то такая особенность применяется для проверки отсутствия "столкновений" между собой двух передатчиков. Если система работает по принципу "ведущий-ведомый", на время передачи просто советуется закрывать от приемника прерывания.

Отличия интерфейсов RS 232, 422, 485

Давайте сравним эти популярные стандарты. Объединяет интерфейсы RS 232, RS 485, RS 422 то, что они используются для передачи цифровой информации. При этом 232 более известен как СОМ-порт компьютера. А другие два распространены в промышленной среде для соединения между собой различного оборудования.

Различия RS 232, RS 485 возможно отследить, представив техническую характеристику этих интерфейсов. Начнем с 232:

  • Тип передачи данных: полный дуплекс.
  • Максимальная протяженность: 15 метров при 9600 бит/сек.
  • Контакты, что задействованы в работе: TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, GND.
  • Топология: "точка-точка".
  • Наибольшее число подключаемых устройств: одно.

Теперь в сравнении RS 232, RS 485, RS 422 следующий интерфейс. Это 422:

  • Тип передачи данных: полный дуплекс.
  • Максимальная протяженность: 1200 метров при 9600 бит/сек.
  • Контакты, что задействованы в работе: TxA, TxB, RxA, RxB, GND.
  • Топология: "точка-точка".
  • Наибольшее число подключенных устройств: одно (десять в режиме приема).

Сравниваются между собой преобразователи RS 232, RS 485. Приведем краткую характеристику последнего интерфейса, главного в нашем рассказе:

  • Тип передачи данных: полудуплекс (то есть два провода) или полный дуплекс (четыре провода).
  • Максимальная протяженность: 1200 метров при 9600 бит/сек.
  • Контакты, что задействованы в работе: DataA, DataB, GND.
  • Топология: многоточечная.
  • Наибольшее число подключенных устройств: 32 (с повторителями их число может дорасти до 256).

Вот и все, что мы хотели рассказать об интерфейсе RS 485, широко применяемом сегодня в промышленности для передачи информации между устройствами, аппаратурой. По каким-то характеристикам он схож с родственными стандартами, по каким-то (подключение, передача данных, устранение помех) существенно отличается от них.

www.nastroy.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *