Физические интерфейсы RS485 и RS422. Углубленное описание стандарта EIA485 (RS485) Как подключить приборы на 485 интерфейс

Заставить похудеть конструкции с применением RS-485 просто, если вы понимаете, как в то же самое время сохранить хорошее качество связи. Эта статья охватывает факты, мифы и злые шутки, о которых вам следует знать для достижения этой цели.

В системах промышленной автоматизации и автоматизации зданий применяется ряд удаленных устройств сбора данных, которые передают и принимают информацию через центральный модуль, предоставляющий доступ к данным пользователям и другим процессорам. Регистраторы данных и считывающие устройства типичны для таких приложений. Почти идеальная линия передачи данных для этих целей определена стандартом RS-485, который связывает устройства сбора данных кабелем на основе витой пары.

Поскольку многие из устройств сбора и накопления данных в сетях RS-485 являются компактными автономными устройствами с батарейным питанием, для контроля за их тепловыделением и увеличения срока службы батарей необходимо принятие мер по снижению их энергопотребления. Точно так же экономия энергии важна для носимых устройств и других приложений, в которых интерфейс RS-485 используется для загрузки данных в центральный процессор.

Следующий раздел предназначен в первую очередь для тех, кто не знаком с RS-485.

RS-485: история и описание

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом "RS" (Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил "RS" на "EIA/TIA" с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений.

Стандарты RS-485 и RS-422 имеют много общего, и поэтому их часто путают. Таблица 1 сравнивает их. RS-485, определяющий двунаправленную полудуплексную передачу данных, является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим множественные приемники и драйверы в шинных конфигурациях. EIA/TIA-422, с другой стороны, определяет единственный однонаправленный драйвер с множественными приемниками. Элементы RS-485 обратно совместимы и взаимозаменяемы со своими двойниками из RS-422, однако драйверы RS-422 не должны использоваться в системах на основе RS-485, поскольку они не могут отказаться от управления шиной.

Таблица 1. Стандарты RS-485 и RS-422

	RS-422	RS-485
Режим работы	Дифференциальный	Дифференциальный
Допустимое число Tx и Rx	1 Tx, 10 Rx	32 Tx, 32 Rx
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость передачи данных	10 Мбит/с	10 Мбит/с
Минимальный выходной диапазон драйвера	± 2 В	± 1.5 В
Максимальный выходной диапазон драйвера	± 5 В	± 5 В
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	150 мА	250 мА
Сопротивление нагрузки Tx	100 Ом	54 Ом
Чувствительность по входу Rx	± 200 мВ	± 200 мВ
Максимальное входное сопротивление Rx	4 кОм	12 кОм
Диапазон напряжений входного сигнала Rx	± 7 В	от -7 В до +12 В
Уровень логической единицы Rx	> 200 мВ	> 200 мВ
Уровень логического нуля Rx	< 200 мВ	< 200 мВ

Защита от электростатических разрядов

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 и RS-422 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников кроме того могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от значительно больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.

Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым ее касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля. Для защиты от таких разрушительных воздействий, интерфейсные микросхемы MAXIM включают "ESD структуры". Эти структуры защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15кВ.

Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, Maxim осуществляет многократное тестирование положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200В, для проверки последовательности уровней до ±15кВ. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела (Human Body Model) или IEC 1000-4-2) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом "E".

Допустимая нагрузка драйвера RS-485/RS-422 количественно определяется в терминах единичной нагрузки, которая, в свою очередь, определяется как входной импеданс одного стандартного приемника RS-485 (12кОм). Таким образом, стандартный драйвер RS-485 может управлять 32 единичными нагрузками (32 параллельных 12-килоомных нагрузки). Однако для некоторых приемников RS-485 входное сопротивление является более высоким - 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или даже 96 кОм (1/8 единичной нагрузки) - и, соответственно, к одной шине могут быть подключены сразу 128 или 256 таких приемников. Вы можете подключить любую комбинацию типов приемников, если их параллельный импеданс не превышает 32 единичных нагрузки (т.е. суммарное сопротивление не меньше 375 Ом).

Последствия высоких скоростей

Более быстрые передачи требуют более высоких скоростей нарастания напряжения на выходе драйвера, а они, в свою очередь, производят большие уровни электромагнитных помех (EMI). Некоторые приемопередатчики RS-485 сводят EMI к минимуму, ограничивая их скорости нарастания. Меньшие скорости нарастания также помогают контролировать отражения, вызванные быстрыми переходными процессами, высокими скоростями передачи данных или длинными линиями связи. Основой для минимизации отражений является использование согласующих резисторов с номиналами, соответствующими волновому сопротивлению кабеля. Для обычных кабелей RS-485 (витая пара проводов 24AWG) это означает размещение 120-омных резисторов на обоих концах линии связи.

Куда уходит вся мощность?

Очевидным источником потери мощности является ток покоя приемопередатчика (IQ), который в современных устройствах значительно снижен. В таблице 2 токи покоя малопотребляющих КМОП приемопередатчиков сравниваются с являющимся промышленным стандартом устройством 75176.

Таблица 2. Сравнение токов утечки для различных приемопередатчиков RS-485

Другая характеристика энергопотребления приемопередатчиков RS-485 проявляется при отсутствии нагрузки, разрешении выхода драйвера и присутствии периодического входного сигнала. Поскольку открытых линий в RS-485 нужно избегать всегда, драйверы "долбят" свои выходные структуры при каждом переключении выхода. Это короткое включение обоих выходных транзисторов немедленно вызывает бросок тока питания. Достаточно большой входной конденсатор сглаживает эти броски, производя действующий (RMS) ток, который растет вместе со скоростью передачи данных до своего максимального значения. Для приемопередатчиков MAX1483 этот максимум равен примерно 15 мА.

Подключение стандартного приемопередатчика RS-485 к минимальной нагрузке (еще один приемопередатчик, два согласующих и два защитных резистора) позволяет измерить зависимость тока питания от скорости передачи данных в более реальных условиях. На рисунке 2 представлена зависимость ICC от скорости передачи данных для MAX1483 при следующих условиях: стандартные резисторы на 560 Ом, 120 Ом и 560 Ом, VCC = 5В, DE = /RE\ = VCC, и кабель длиной 300 м.

Как вы можете видеть из рисунка 2, ток потребления возрастает приблизительно до 37мА даже при чрезвычайно низких скоростях передачи данных; это вызвано прежде всего добавлением согласующих резисторов и резисторов защитного смещения. Для малопотребляющих приложений, это должно продемонстрировать важность типа используемого согласования, равно как и способа достижения отказоустойчивости. Отказоустойчивость обсуждается в следующем разделе, а подробное описание согласования имеется в разделе "Злые шутки согласования".

Отказоустойчивость

При напряжениях на входах приемников RS-485 в диапазоне от -200мВ до +200мВ, выходное состояние остается неопределенным. Иными словами, если дифференциальное напряжение на стороне RS-485 в полудуплексной конфигурации равно 0В и ни один из приемопередатчиков не ведет линию (или соединение разорвано), тогда логическая единица и логический ноль на выходе равновероятны. Для обеспечения определенного состояния на выходе в таких условиях, большинство современных приемопередатчиков RS-485 требуют установки резисторов защитного смещения: резистор задания начального высокого уровня (pullup) на одну линию (A) и низкого уровня (pulldown) на другую (B), как это показано на рисунке 1. Исторически, резисторы защитного смещения в большинстве схем указывались с номиналом 560 Ом, однако для снижения энергопотерь (когда согласование производится только на одном конце линии связи) это значение можно увеличить приблизительно до 1,1 кОм. Некоторые разработчики устанавливают на обоих концах резисторы с номиналами от 1,1кОм до 2,2кОм. Здесь приходится искать компромисс между помехоустойчивостью и энергопотреблением.

Рисунок 1. Три внешних резистора формируют цепь согласования и защитного смещения для данного приемопередатчика RS-485.

Рисунок 2. Зависимость тока питания приемопередатчика MAX1483 от скорости передачи данных.

Производители приемопередатчиков RS-485 прежде исключали необходимость использования внешних смещающих резисторов, обеспечивая внутренние резисторы положительного смещения по входам приемника, однако такой подход был эффективен только для решения проблемы разомкнутых цепей. Резисторы положительного смещения, используемые в этих псевдоотказоустойчивых приемниках были слишком слабы для установления уровня на выходе приемника в согласованной шине. Другие попытки избежать использования внешних резисторов за счет изменения пороговых значений приемника на 0В и -0,5В нарушали спецификацию RS-485.

Семейство приемопередатчиков MAX3080 и MAX3471 компании Maxim решило обе эти проблемы, определив точный диапазон пороговой чувствительности от -50мВ до -200мВ, устранив, таким образом, потребность в резисторах защитного смещения, сохраняя при этом полное соответствие стандарту RS-485. Эти микросхемы гарантируют, что 0В на входе приемника вызовет высокий логический уровень на выходе. Более того, эта конструкция гарантирует известное состояние выхода приемника для условий замкнутой и разорванной линии.

Как было показано в таблице 2, приемопередатчики сильно различаются значениями их токов покоя. Таким образом первым шагом в деле сохранения энергии должен стать выбор малопотребляющего устройства, такого, как MAX3471 (2,8 мкА при отключенном драйвере, до 64 Кбит/с). Поскольку потребление энергии существенно возрастает при передаче данных, другой целью является минимизация времени работы драйверов за счет передачи коротких телеграмм (блоков данных, прим. пер.) с длительными периодами ожидания между ними. В таблице 3 представлена структура типовой телеграммы последовательной передачи.

Таблица 3. Телеграмма последовательной передачи

Система на основе RS-485, использующая приемники в одну единичную нагрузку (до 32 адресуемых устройств), может, например, иметь следующие биты: 5 битов адреса, 8 битов данных, стартовые биты (все кадры), стоповые биты (все кадры), биты четности (необязательные), и биты CRC (необязательные). Минимальная длина телеграммы для такой конфигурации - 20 битов. Для безопасных передач, вы должны послать дополнительную информацию, такую как размер данных, адрес отправителя и направление, которая увеличит длину телеграммы до 255 байтов (2040 битов).

Подобное изменение длины телеграммы со структурой, определяемой такими стандартами, как X.25, обеспечивает надежность данных за счет увеличения времени использования шины и потребляемой мощности. Например, передача 20 битов при 200 Кбит/с потребует 100 мкс. При использовании MAX1483 для ежесекундной отправки данных на скорости 200 Кбит/с, средний ток составит

(100 мкс * 53 мА + (1 с - 100 мкс) * 20 мкА) / 1 с = 25.3 мкА

Когда приемопередатчик находится в неактивном режиме (idle mode), его драйвер должен быть отключен для минимизации потребляемой мощности. В таблице 4 демонстрируется влияние длины телеграммы на потребляемую мощность одиночного драйвера MAX1483, который работает с определенными перерывами между передачами. Использование режима отключения (shutdown mode) может еще больше снизить потребляемую мощность в системе, использующей технологию опроса через фиксированные промежутки времени или более длинные, детерминированные перерывы между передачами.

Таблица 4. Соотношение между длиной телеграммы и потребляемым током при использовании драйвера MAX1483

В дополнение к этим программным соображениям, аппаратные средства предлагают множество мест для усовершенствования в части энергопотребления. На рисунке 3 сравниваются токи, потребляемые различными трансиверами при передаче сигнала прямоугольной формы по 300-метровому кабелю с активными драйверами и приемниками. 75ALS176 и MAX1483 используют стандартную согласующую цепь 560Ом/120Ом/560Ом на обоих концах линии связи, в то время, как "истино безотказные" ("true failsafe") устройства (MAX3088 и MAX3471) имеют лишь 120-омные согласующие резисторы на обоих концах шины. При 20 Кбит/с токи потребления ранжируются от 12,2мА (MAX3471 с напряжением питания VCC = 3.3V) до 70мА (75ALS176). Таким образом, значительное сокращение потребления возникает немедленно, как только вы выбираете малопотребляющее устройство со свойством "истиной безотказности", которая, кроме того, исключает необходимость установки резисторов защитного смещения (на землю и на линию питания VCC). Убедитесь, что приемник выбранного вами приемопередатчика RS-485, выдает на выход правильные логические уровни для условий как замкнутой, так и разомкнутой цепи.

Рисунок 3. Микросхемы приемопередатчиков сильно отличаются зависимостью тока потребления от скорости передачи данных.

Злые шутки согласования

Как было отмечено выше, согласующие резисторы устраняют отражения, вызваные рассогласованием импедансов, однако их недостаток - дополнительное рассеяние мощности. Их влияние показано в таблице 5, в которой приводятся токи потребления для различных приемопередатчиков (при активном драйвере) для условий отсутствия резисторов, использования только согласующих резисторов, а также комбинации согласующих резисторов и резисторов защитного смещения.

Таблица 5. Использование согласующих резисторов и резисторов защитного смещения увеличивает потребляемый ток

	MAX1483	MAX3088	MAX3471	SN75ALS176
I VCC (no RT)	60 мкА	517 мкА	74 мкА	22 мкА
I VCC (RT =120)	24 мкА	22.5 мкА	19.5 мкА	48 мкА
I VCC (RT = 560-120-560)	42 мкА	N/A	N/A	70 мкА

Исключение согласования

Первый способ уменьшения потребляемой мощности состоит в том, чтобы вообще устранить согласующие резисторы. Этот вариант возможен только для коротких линий связи и низких скоростей передачи данных, которые позволяют отражениям успокоиться еще до того, как данные будут обработаны приемником. Как показывает практика, согласование не нужно, если время нарастания сигнала по крайней мере в четыре раза превосходит время задержки одностороннего прохождения сигнала через кабель. Следующие шаги используют это правило для вычисления максимальной допустимой длины несогласованного кабеля:

Шаг 1. Для рассматриваемого кабеля найдите скорость одностороннего прохождения сигнала, обычно предоставляемую производителем кабеля как процентное отношение к скорости света в свободном пространстве (c = 3x10 8 м/с). Типовое значение для стандартного кабеля в поливинилхлоридной изоляции (состоящего их витой пары #24 AWG) составляет 203мм/нс.
Шаг 2 . Из спецификации приемопередатчика RS-485 найдите его минимальное время нарастания (t r min). Например, для MAX3471 оно равно 750нс.
Шаг 3 . Разделите это минимальное время нарастания на 4. Для MAX3471 получим t r min /4 = 750нс/4 = 187.5нс.
Шаг 4 . Вычислите максимальную протяженность кабеля, для которой не требуется согласование: 187.5нс (230мм/нс) = 38м.

Таким образом, MAX3471 может обеспечить приличное качество сигнала при передаче и приеме на скорости 64Кбит/с по 38-метровому кабелю без согласующих резисторов. Рисунок 4 демонстрирует достигнутое драматическое снижение потребления MAX3471, когда 30 метров кабеля без согласующего резистора используются вместо 300 метров кабеля и 120 согласующих резисторов.

Рисунок 4. Согласующие резисторы - основной потребитель мощности.

RC-согласование

На первый взгляд, способность RC согласования блокировать постоянный ток является весьма многообещающей. Вы найдете, однако, что эта техника налагает определенные условия. Согласование состоит из последовательной RC цепочки, включенной параллельно дифференциальным входам приемника (A и B), как показано на рисунке 5. Несмотря на то, что R всегда равно волновому сопротивлению кабеля (Z 0), выбор C требует некоторых рассуждений. Большая величина C обеспечивает хорошее согласование, позволяя любому сигналу видеть R, которое соответствует Z0, однако большие значения также увеличивают пиковое значение выходного тока драйвера. К сожалению, более длинные кабели требуют больших значений емкости C. Целые статьи были посвящены определению номинала C для достижения этого компромисса. Вы можете найти детальные уравнения на эту тему в руководствах, ссылки на которые приведены в конце настоящей статьи.

Рисунок 5. RC согласование снижает потребление, однако требует тщательного выбора номинала C.

Среднее напряжение сигнала - другой важный фактор, который часто игнорируется. Если только среднее напряжение сигнала не сбалансировано по постоянному току, эффект зубчатого контура (stair-stepping effect) по постоянному току вызывает значительные дрожания из-за эффекта, известного как "межсимвольная интерференция." Если коротко, то RC согласование эффективно для снижения потребления, однако оно склонно к разрушению качества сигнала. Поскольку RC согласование налагает так много ограничений на свое использование, лучшая альтернатива во многих случаях - отсутствие согласования вообще.

Согласование на диодах Шотки

Диоды Шотки предлагают альтернативный метод согласования, когда большая потребляемая мощность вызывает беспокойство. В отличие от других типов согласования, диоды Шотки не пытаются соответствовать волновому сопротивлению шины. Вместо этого, они просто подавляют положительные и отрицательные выбросы на фронтах импульсов, вызванные отражением. В результате, изменения напряжения ограничены положительным пороговым напряжением и нулем.

Цепь согласования на диодах Шотки впустую рассеивает незначительную энергию, поскольку они проводят только при наличии положительных и отрицательных выбросов. С другой стороны, стандартное резистивное согласование (как с резисторами защитного смещения, так и без оных), постоянно рассеивает мощность. Рисунок 6 иллюстрирует использование диодов Шотки для борьбы с отражениями. Диоды Шотки не обеспечивают отказоустойчивую работу, однако уровни порогового напряжения, выбранные в приемопередатчиках MAX308X и MAX3471, дают возможность реализовать отказоустойчивую работу с этим типом согласования.

Рисунок 6. Несмотря на дороговизну, цепь согласования на диодах Шотки имеет много достоинств.

Диод Шотки, наилучшее доступное приближение к идеальному диоду (нулевое прямое напряжение Vf, нулевое время включения tON и нулевое время обратного восстановления trr), представляет большой интерес в качестве замены энергоемких согласующих резисторов. Недостаток такого согласования в системах на основе RS-485/RS-422 заключается в том, что диоды Шотки не могут подавлять все отражения. Как только отраженный сигнал угаснет ниже прямого напряжения диода Шотки, его энергия останется незатронутой согласующими диодами и сохранится до тех пор, пока не будет рассеяна кабелем. Существенно или нет это затяжное возмущение, зависит от величины сигнала на входах приемника.

Главный недостаток Шотки-терминатора - его стоимость. Одна точка согласования требует двух диодов. Поскольку шина RS-485/RS-422 является дифференциальной, это число снова умножается на два (Рисунок 6). Использование на шине многжественных Шотки-терминаторов не является необычным.

Терминаторы на диодах Шотки дают много преимуществ для систем на основе RS-485/RS-422, и экономия энергии - главное из них (Рисунок 7). Не нужно ничего вычислять, поскольку специфицированные ограничения для длины кабеля и скорости передачи данных будут достигнуты раньше, чем какие либо ограничения Шотки-терминатора. Другое преимущество заключается в том, что множественные Шотки-терминаторы в различных ответвлениях и на входах приемников улучшают качество сигнала без загрузки коммуникационной шины.

Рисунок 7. Потребляемый ток в системах RS-485 сильно зависит от скорости передачи данных и типа согласования.

Подведение итогов

Когда скорость передачи данных высока и кабель имеет большую длину, в системе RS-485 трудно обеспечить сверхмалое потребление (в оригинале "flea power" - "мощность блохи", - Прим. пер.), поскольку возникает необходимость устанавливать на линии связи согласующие устройства (терминаторы). В этом случае приемопередатчики с функцией "истиной помехоустойчивости" на выходах приемников могут экономить энергию даже при использовании терминаторов, устраняя потребность в резисторах защитного смещения. Программная организация связи также позволяет снизить потребляемую мощность, переводя приемопередатчик в отключенное состояние или запрещая драйвер, когда он не используется.

Для более низких скоростей и более коротких кабелей разница в энергопотреблении огромна: Передача данных со скоростью 60 Кбит/с по 30-метровому кабелю при использовании стандартного приемопередатчика SN75ALS176 со 120-омными согласующими резисторами потребует от системы электропитания ток 70мА. С другой стороны, использование MAX3471 при тех же самых условиях потребует только 2,5мА от источника питания.

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, I 2 C, I 2 S, 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.

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.

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.

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).

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 V CC 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 V A – V B больше или равно -50 мВ – на выходе R 0 устанавливается высокий уровень. Если V A – V B меньше или равно -200 мВ – на выходе R 0 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

Литература

Application note 4491, «Damage from a Lightning Bolt or a Spark–It Depends on How Tall You Are!»;
Application note 5260, «Design Considerations for a Harsh Industrial Environment»;
Application note 639, «Maxim Leads the Way in ESD Protection».

Сравнение интерфейсов RS-485 и RS-422

RS-485 – самый популярный промышленный интерфейс

Проблемы, связанные с использованием последовательного интерфейса в промышленной среде

Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий

Усиленная защита от ЭСР

Защита от перенапряжений

Устойчивость приемников к неопределенным состояниям линии

Возможность «горячей» замены

Литература

Application note 4491, «Damage from a Lightning Bolt or a Spark–It Depends on How Tall You Are!»;
Application note 5260, «Design Considerations for a Harsh Industrial Environment»;
Application note 639, «Maxim Leads the Way in ESD Protection».

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 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.

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
Устройства должны быть подключены к минимально возможной длины.

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 К примеру, если нужно получить смещение на уровне 250 мВ при использовании терминальных резисторов R T = 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. R см 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.

Описание

RS-485 (Recommended Standard 485 или EIA/ TIA -485-A) – рекомендованный стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи. Совместная разработка ассоциаций: Electronic Industries Alliance (EIA) и Telecommunications Industry Association (TIA). Стандарт описывает только физические уровни передачи сигналов (т.е. только 1-й уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI). Стандарт не описывает программную модель обмена и протоколы обмена. RS-485 создавался для расширения физических возможностей интерфейса RS232 по передаче двоичных данных.

Выпуски стандарта RS-485

Название: Recommended Standard 485
Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Multipoint Systems
Электрические характеристики генераторов и приёмников для использования в балансных многоточечных системах.

Разработчик: Electronics Industries Association (EIA) . Ассоциация промышленной электроники.
Выпуски стандарта:
RS-485A (Recommended Standard 485 Edition: A) год выпуска 1983.
EIA 485-A год выпуска 1986.
TIA /EIA 485-A год выпуска 1998.
TIA /EIA 485-A год редакции 2003.

Международные и национальные стандарты основанные на стандарте RS-485

ISO/IEC 8482 (1993г. действующий)
Издатель: ISO, IEC
Название: Information technology - Telecommunications and information exchange between Systems - Twisted pair multipoint interconnections .
Старые редакции:
ISO 8284 (1987г. не действующий)

ITU-T v.11 (1996г. действующий)
Издатель: INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION
Название: Electrical characteristics for balanced double-current interchange circuits opertiong at data signalling rates up to 10 Mbit/s .
Старые редакции:
ITU-T v.11 (1993г. не действующий)
CCITT v.11 (1988г. не действующий)

ANSI/ TIA -485-A (1998г. действующий)
Издатель: American National Standards Institute, ANSI
Название: Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems .

Свойства интерфейса стандарта RS-485

Двунаправленная полудуплексная передача данных. Поток последовательных данных передаётся одновременно только в одну сторону, передача данных в другую сторону требует переключения приёмопередатчика. Приёмопередатчики принято называть "драйверами"(driver), это устройство или электрическая цепь, которая формирует физический сигнал на стороне передатчика.

Симметричный канал связи. Для приёма/передачи данных используются два равнозначных сигнальных провода. Провода означаются латинскими буквами "А" и "В". По этим двум проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использовании витой пары симметричный канал существенно повышает устойчивость сигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения создаваемые полезным сигналом.

Дифференциальный (балансный способ передачи данных). При этом способе передачи данных на выходе приёмопередатчика изменяется разность потенциалов, при передаче "1" разность потенциалов между AB положительная при передаче "0" разность потенциалов между AB отрицательная. То есть, ток между контактами А и В, при передачи "0" и "1", течёт (балансирует) в противоположных направлениях.

Многоточечность. Допускает множественное подключение приёмников и приёмопередатчиков к одной линии связи. При этом допускается подключение к линии только одного передатчика в данный момент времени, и множество приёмников, остальные передатчики должны ожидать освобождения линии связи для передачи данных.

Низкоимпендансный выход передатчика. Буферный усилитель передатчика имеет низкоомный выход, что позволяет передавать сигнал ко многим приёмникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32-м приёмникам на один передатчик. Кроме этого, токовый сигнал используется для работы "витой пары" (чем больше рабочий ток "витой пары", тем сильнее она подавляется синфазные помехи на линии связи).

Зона нечувствительности. Если дифференциальный уровень сигнала между контактами АВ не превышает ±200мВ, то считается, что сигнал в линии отсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.

Технические характеристики RS-485

Допустимое число приёмопередатчиков (драйверов) 32

Максимальная длина линии связи 1200 м (4000ft)

Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с

Минимальный выходной сигнал драйвера ±1,5 В

Максимальный выходной сигнал драйвера ±5 В

Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА

Выходное сопротивление драйвера 54 Ом

Входное сопротивление драйвера 12 кОм

Допустимое суммарное входное сопротивление 375 Ом

Диапазон нечувствительности к сигналу ±200 мВ

Уровень логической единицы (Uab) >+200 мВ

Уровень логического нуля (Uab) ←200 мВ

Входное сопротивление для некоторых приёмников может быть более 12 кОм (единичная нагрузка). Например, 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или 96 кОм (1/8), что позволяет увеличить количество приёмников до 128 или 256. При разных входных сопротивлениях приёмников необходимо, чтобы общее входное сопротивление не было меньше 375 Ом.

Описание работы RS-485

Так как стандарт, RS-485 описывает только физический уровень процедуры обмена данными, то все проблемы обмена, синхронизации и квитирования, возлагаются на более высокий протокол обмена. Как мы уже говорили, наиболее часто, это стандарт RS-232 или другие верхние протоколы (ModBus , DCON и т.п.).

Сам RS-485 выполняет только следующие действия:

Преобразует входящую последовательность "1" и "0" в дифференциальный сигнал.

Передает дифференциальный сигнал в симметричную линию связи.

Подключает или отключает передатчик драйвера по сигналу высшего протокола.

Принимает дифференциальный сигнал с линии связи.

Если подключить осциллограф к контактам А-В (RS-485) и контактам GND-TDx(RS-232), то вы не увидите разницы в форме сигналов передаваемых в линиях связи. На самом деле, форма сигнала RS-485 полностью повторяет форму сигнала RS-232, за исключением инверсии (в RS-232 логическая единица передается напряжением -12 В, а в RS-485 +5 В).

Рис.1 Форма сигналов RS-232 и RS-485 при передаче двух символов "0" и "0".

Как видно из рис.1 происходит простое преобразование уровней сигнала по напряжению.

Хотя форма сигналов одинаковая у выше указанных стандартов, но способ их формирования и мощность сигналов различны.

Рис.2 Формирование сигналов RS-485 и RS-232

Преобразование уровней сигналов и новый способ их формирования позволил решить ряд проблем, которые в своё время не были учтены при создании стандарта RS-232.

Преимущества физического сигнала RS-485 перед сигналом RS-232

Используется однополярный источник питания +5В, который используется для питания большинства электронных приборов и микросхем. Это упрощает конструкцию и облегчает согласование устройств.

Мощность сигнала передатчика RS-485 в 10 раз превосходит мощность сигнала передатчика RS-232. Это позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников и таким образом вести широковещательную передачу данных.

Использование симметричных сигналов, у которой имеется гальваническая развязка с нулевым потенциалом питающей сети. В результате исключено попадание помехи по нулевому проводу питания (как в RS-232). Учитывая возможность работы передатчика на низкоомную нагрузку, становится возможным использовать эффект подавления синфазных помех с помощью свойств "витой пары". Это существенно увеличивает дальность связи. Кроме этого появляется возможность "горячего" подключения прибора к линии связи (хотя это не предусмотрено стандартом RS-485). Заметим что в RS-232 "горячее" подключение прибора обычно приводит к выходу из строя СОМ порта компьютера.

Описание обмена данными по стандарту RS-485

Каждый приёмопередатчик (драйвер) RS-485 может находиться в одном из двух состояний: передача данных или приём данных. Переключение драйвера RS-485 происходит с помощью специального сигнала. Например, на рис.3 показан обмен данными с использованием преобразователя АС3 фирмы Овен. Режим преобразователя переключается сигналом RTS. Если RTS=1 (True) АС3 передает данные, которые поступают к нему от СОМ порта в сеть RS-485. При этом все остальные драйверы должны находиться в режиме приёма (RTS=0). По сути дела RS-485 является двунаправленным буферным мультиплексированным усилителем для сигналов RS-232.

Рис.3 Пример использования преобразователя Овен АС3.

Ситуация когда в одно время будет работать более одного драйвера RS-485 в режиме передатчика приводит к потере данных. Эта ситуация называется "коллизией". Чтобы коллизии не возникали в каналах обмена данными необходимо использовать более высокие протоколы (OSI). Такие как MODBUS, DCON, DH485 и др. Либо программы, которые напрямую работают с RS-232 и решают проблемы коллизий. Обычно эти протоколы называют 485-тыми протоколами. Хотя на самом деле, аппаратной основой всех этих протоколов служит, конечно, RS-232. Он обеспечивает аппаратную обработку всего потока информации. Программную обработку потока данных и решение проблем с коллизиями занимаются протоколы высшего уровня (Modbus и др.) и ПО.

Основные принципы реализации протоколов верхнего уровня (типа MODBUS)

Кратко рассмотрим эти протоколы, хотя они не имеют отношение к стандарту RS-485. Обычно протокол верхнего уровня включает в себя пакетную, кадровую или фреймовую организацию обмена. То есть, информация передаётся логически завершенными частями. Каждый кадр обязательно маркируется, т.е. обозначается его начало и конец специальными символами. Каждый кадр содержит адрес прибора, команду, данные, контрольную сумму, которые необходимы для организации многоточечного обмена. Чтобы избежать коллизий обычно применяют схему "ведущий"(master)-"ведомый"(slave). "Ведущий" имеет право самостоятельно переключать свой драйвер RS-485 в режим передачи, остальные драйверы RS-485 работают в режиме приёма и называются "ведомыми". Чтобы "ведомый" начал предавать данные в линию связи "ведущий" посылает ему специальную команду, которая дает прибору с указанным адресом право переключить свой драйвер в режим передачи на определенное время.

После передачи разрешающей команды "ведомому", "ведущий" отключает свой передатчик и ждет ответа "ведомого" в течение промежутка времени, который называется "таймаут". Если в течении таймаута ответ от "ведомого" не получен, то "ведущий" снова занимает линию связи. В роли "ведущего" обычно выступает программа, установленная на компьютер. Существуют и более сложная организация пакетных протоколов, которая позволяет циклически предавать роль "ведущего" от прибора к прибору. Обычно такие приборы называют "лидерами", либо говорят что приборы передают "маркер". Владение "маркером" делает прибор "ведущим", но он должен будет обязательно передать его другому прибору сети по определённому алгоритму. В основном, указанные выше протоколы, отличаются по этим алгоритмам.

Как мы видим, верхние протоколы имеют пакетную организацию и выполняются на программном уровне, они позволяют решить проблему с "коллизиями" данных и многоточечную организацию обмена данными.

Реализация приемопередатчиков (драйверов) RS-485

Многие фирмы изготовляют приемопередатчики RS485. Называют их обычно конверторы RS232 - RS485 или преобразователи RS232-RS485. Для реализации этих приборов выпускается специальные микросхемы. Роль этих микросхем сводится к преобразованию уровней сигналов RS232C к уровню сигналов RS485 (TTL/CMOS) и обратно, а также обеспечение работы полудуплексного режима.

По способу переключения в режим передачи различают приборы:

Переключающиеся с помощью отдельного сигнала. Для перехода в режим передачи необходимо выставить активный сигнал на отдельном входе. Обычно это сигнал RST (СОМ порта). Эти приемопередатчики сейчас редко встречаются. Но, тем не менее, они иногда не заменимы. Допустим нужно прослушивать обмен данными между контроллерами промышленного оборудования. При этом, ваш приёмопередатчик не должен переходить в режим передачи, чтобы не создать коллизию в данной сети. Использование приёмопередатчика с автоматическим переключением здесь не допустимо. Пример такого конвертера Овен АС3.

С автоматическим переключением и без проверки состояния линии. Наиболее распространённые конверторы, которые переключаются автоматически при появлении на их входе информационного сигнала. При этом они не контролируют занятость линии связи. Эти конверторы требуют осторожного применения из-за высокой вероятности возникновения коллизий. Пример конвертора Овен АС3М.

С автоматическим переключением и с проверкой состояния линии. Наиболее продвинутые конверторы, которые могут передавать данные в сеть только при условии, что сеть не занята другими приёмопередатчиками и на входе имеется информационный сигнал.

Аппаратная реализация RS485 на примере преобразователя RS232-RS485 АС3 Овен

Рис.4 Принципиальная схема АС3 Овен.

На рис.4 представлена принципиальная схема преобразователя АС3 Овен. Этот преобразователь имеет отдельный сигнал для включения режима передачи данных. В качестве управляющего сигнала используется выходной сигнал СОМ порта RST. Если RST=1 (+12В) преобразователь передает данные с TD(Сом порта) в сеть RS485, если RST=0 (-12 В), то данные принимаются из сети RS-485 на вход RD (СОМ порта). Преобразователь работает от промышленной сети переменного тока напряжением 220 вольт. Блок питания преобразователя выполнен по импульсной схеме на базе микросхемы ТОР232N (DA1). Блок питания выдает два независимых напряжения +5В. Для приёма и преобразования полярных сигналов RS232 (±12 В) в однополярные сигналы TTL/CMOS уровня (+5 В) используется микросхема MAX232N (DD1). Данная микросхема интересна тем, что она питается от однополярного напряжения +5 В и имеет встроенные источники напряжения, которые необходимы для работы с полярными сигналами ±12 В. Для правильной работы встроенных источников напряжения к микросхеме MAX232N подключают внешние конденсаторы С14,С15,С17,С18. Кроме этого микросхема имеет по два преобразователя уровней сигналов RS-232C к TTL/CMOS в обоих направлениях.

Назначение сигналов:
RST -для переключения преобразователя в режим передачи/приёма
TD -передача данных из RS232 в RS485
RD -приём данных в RS232 из RS485

Далее сигналы RS232 преобразованные к уровню TTL/CMOS подаются на оптопары 6N137, которые осуществляют гальваническую развязку сигналов RS232 и RS485. Для передачи/приёма данных на стороне интерфейса RS485 используется микросхема DS75176 (многоточечный трансивер RS485). Данная микросхема запитана от отдельного источника напряжением +5 В. Микросхема представляет собой усилитель сигналов TTL/COMOS уровня с переключением направления передачи. Выходы DS75176 подключаются к контактам А и В через сопротивления 100 Ом, что обеспечивает ток короткого замыкания А-В в 250мА. Мощность сигнала RS485 примерно в 10 раз превышает мощность сигналов RS232. Эта микросхема усиливает сигнал до нужной мощности и обеспечивает полудуплексный режим работы.

Топология сети RS-485

Сеть RS-485 строится по последовательной шиной(bus) схеме, т.е. приборы в сети соединяются последовательно симметричными кабелями. Концы линий связи при этом должны быть нагружены согласующими резисторами- "терминаторами"(terminator), величина которых должна быть равна волновому сопротивлению кабеля связи.

Терминаторы выполняют следующие функции:

Уменьшают отражение сигнала от конца линии связи.

Обеспечивают достаточный ток через всю линию связи, что необходимо для подавления синфазной помехи с помощью кабеля типа "витая пара".

Если расстояние сегмента сети превышает 1200 м или количество драйверов в сегменте более 32 штук, нужно использовать повторитель (repeater), для создания следующего сегмента сети. При этом каждый сегмент сети должен быть подключен к терминаторам. Сегментом сети при этом считается кабель между крайним прибором и повторителем или между двумя повторителями.

Стандарт RS-485 не определяет, какой тип симметричного кабеля нужно использовать, но де-факто используют кабель типа "витая пара" с волновым сопротивлением 120 Ом.

Рис.6 Промышленный кабель Belden 3106A для сетей RS485

Рекомендовано использовать промышленный кабель Belden3106A для прокладки сетей RS485. Данный кабель имеет волновое сопротивление 120 Ом и двойной экран витой пары. Кабель Belden3106A содержит 4 провода. Оранжевый и белый провод представляют собой симметричную экранированную витую пару. Синий провод кабеля используется для соединения нулевого потенциала источников питания приборов в сети и называется "общий"(Common). Провод без изоляции используется для заземления оплетки кабеля и называется "дренажный" (Drain). В сегменте сети дренажный провод заземляется через сопротивление на шасси прибора, с одного из концов сегмента, чтобы не допустить протекания блуждающих токов через оплетку кабеля, при разном потенциале земли в удалённых точках.

Обычно сопротивления терминаторов и защитного заземления находится внутри прибора. Необходимо правильно подключить их с помощью перемычек или переключателей. В технической документации фирмы изготовителя приборов необходимо найти описание этих подключений.

Рис.7 Схема подключения 1747-AIC (Allen Bradley)

На рис.7 показаны соединения кабеля с промежуточными приборами сегмента сети. Для первого прибора в сегменте сети DH-485 необходимо установить перемычку 5-6 (она подключает терминатор 120 Ом, который находится внутри прибора 1747-AIC) и перемычку 1-2 (подключает дренажный провод к шасси прибора через внутреннее сопротивление). Для последнего прибора в сегменте сети нужно установить только перемычку 5-6 (подключить терминатор)

При использовании других симметричных кабелей, в особенности, когда не известно их волновое сопротивление, величину терминаторов подбирают опытным путем. Для этого необходимо установить осциллограф в середину сегмента сети. Контролируя форму прямоугольных импульсов передаваемых одним из драйверов можно сделать вывод о необходимости корректировки величины сопротивления терминатора.

Программное обеспечение для работы в сетях RS-485

Интерфейс RS-485, стал основным физическим интерфейсом для промышленных сетей передачи данных. Такие протоколы как ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 , работают по на физическом уровне RS-485.

Промышленные протоколы передачи данных часто бывают засекречены фирмами производителями. Информацию по тому или иному протоколу связи приходится собирать по крупицам.

Специалисту, работающему с промышленными сетями необходима программа для чтения всей информации передаваемой в информационных сетях. Основные секреты промышленных протоколов можно обнаружить только при всестороннем анализе переданных и полученных данных. Программа ComRead v.2.0 предназначена для сохранения и отображения данных и сервисных сигналов передаваемых в информационных сетях, которые работают по стандартам RS-232, RS-485, Bell-202 и др. Программа не только сохраняет всю информацию, но и создает временную развертку данных и сервисных сигналов. Программа ComRead v.2.0 сканирует информационный канал не влияя на его работу, то есть работает в режиме прослушивания физической среды передачи информации. Кроме того, программа может работать в режиме транслятора данных и сервисных сигналов. При этом она становится непосредственной частью информационного канала связи. Более подробно можно ознакомится с программой здесь

Возможность широковещательной передачи.

Многоточечность соединения.

Недостатки RS485

Большое потребление энергии.

Отсутствие сервисных сигналов.

Возможность возникновения коллизий.