RS-485 (Препоръчителен стандарт 485 или EIA / TIA -485-A) е препоръчителният стандарт за предаване на данни по двупроводен, полудуплекс, многоточен сериен балансиран комуникационен канал. Съвместно разработен от Алианса за електронни индустрии (EIA) и Асоциацията на телекомуникационната индустрия (TIA). Стандартът описва само физическите слоеве на сигнализация (т.е. само първия слой на модела за взаимосвързаност на отворените системи на OSI). Стандартът не описва програмния модел на обмена и протоколите за обмен. RS-485 е създаден, за да разшири физическите възможности на интерфейса RS232 за предаване на двоични данни.
Име: Препоръчителен стандарт 485
Електрически характеристики на генератори и приемници за използване в балансирани многоточкови системи
Електрически характеристики на генератори и приемници за използване в балансирани многоточкови системи.
Разработчик: Асоциация на електрониката (EIA)... Асоциация на индустриалната електроника.
Стандартни издания:
RS-485A (препоръчително стандартно издание 485: A)година на производство 1983.
EIA 485-Aгодина на производство 1986.
TIA / EIA 485-Aгодина на производство 1998.
TIA / EIA 485-Aгодина на издание 2003.
ISO / IEC 8482 (Активен през 1993 г.)
Издател: ISO, IEC
Име: Информационни технологии - Телекомуникации и обмен на информация между системи - Многоточкови взаимовръзки с усукани двойки.
Стари издания:
ISO 8284 (1987 не е активен)
ITU-T v.11 (Активен през 1996 г.)
Издател: МЕЖДУНАРОДЕН ТЕЛЕКОМУНИКАЦИОНЕН СЪЮЗ
Име: Електрически характеристики за балансирани двутокови разменни вериги g при скорости на сигнализиране на данни до 10 Mbit / s.
Стари издания:
ITU-T v.11 (1993 не е активен)
CCITT v.11 (1988 не е активен)
ANSI / TIA -485 -A (1998 активна)
Издател: Американски национален институт по стандартизация, ANSI
Име: Електрически характеристики на генератори и приемници за използване в балансирани цифрови многоточкови системи.
Двупосочно полудуплексно предаване на данни.Последователният поток от данни се предава едновременно само в една посока, предаването на данни в другата посока изисква превключване на трансивъра. Приемо -предавателите обикновено се наричат "драйвери", това е устройство или електрическа верига, която генерира физически сигнал отстрани на предавателя.
Симетричен комуникационен канал.За приемане / предаване на данни се използват два еквивалентни сигнални проводника. Проводниците са обозначени с латински букви "А" и "В". Тези два проводника са сериен обмен на данни в двете посоки (последователно). При използване на усукана двойка, симетричен канал значително повишава имунитета на сигнала към смущения в общия режим и потиска добре електромагнитното излъчване, генерирано от полезния сигнал.
Диференциален (балансиран начин на предаване на данни).При този метод на предаване на данни на изхода на трансивъра, потенциалната разлика се променя, при предаване на "1", потенциалната разлика между AB е положителна при предаване на "0", потенциалната разлика между AB е отрицателна. Тоест, токът между контактите А и В, при прехвърляне на "0" и "1", тече (балансира) в противоположни посоки.
Многоточков.Позволява многократно свързване на приемници и приемо -предаватели към една комуникационна линия. В този случай е разрешено да се свърже само един предавател към линията в даден момент и много приемници, останалите предаватели трябва да изчакат комуникационната линия да бъде освободена за предаване на данни.
Изход на предавател с нисък импеданс.Буферният усилвател на предавателя има изход с нисък импеданс, което позволява предаването на сигнала към много приемници. Стандартният капацитет на натоварване на предавателя е 32 приемника на предавател. В допълнение, токовият сигнал се използва за работата на „усуканата двойка“ (колкото по-висок е работният ток на „усуканата двойка“, толкова повече той потиска шума от общия режим на комуникационната линия).
Мъртва зона.Ако нивото на диференциалния сигнал между AB контактите не надвишава ± 200mV, тогава се счита, че няма сигнал в линията. Това увеличава шумозащитата при предаване на данни.
Допустим брой приемо -предаватели (драйвери) 32
Максимална дължина на комуникационната линия 1200 м (4000 фута)
Максимална скорост на трансфер 10 Mbps
Минимален изходен сигнал на драйвера ± 1.5V
Максимален изходен сигнал на драйвера ± 5V
Максимален ток на късо съединение на драйвера 250 mA
Изходен импеданс на драйвера 54 ома
Входен импеданс на драйвера 12 kOhm
Допустим общ входен импеданс 375 Ohm
Обхват на нечувствителност на сигнала ± 200 mV
Логика на едно ниво (Uab)> +200 mV
Логическо нулево ниво (Uab) ← 200 mV
Входният импеданс за някои приемници може да бъде повече от 12 kΩ (единично натоварване). Например 48 kOhm (1/4 от единичното натоварване) или 96 kOhm (1/8), което ви позволява да увеличите броя на приемниците до 128 или 256. При различни входни импеданси на приемниците е необходимо общият входен импеданс е не по -малък от 375 ома.
Тъй като стандартът RS-485 описва само физическия слой на процедурата за обмен на данни, тогава всички проблеми с обмена, синхронизацията и потвърждението се възлагат на по-висок протокол за обмен. Както вече казахме, най-често това е стандарт RS-232 или други горни протоколи (ModBus, DCON и др.).
Самият RS-485 прави само следното:
Преобразува входната последователност "1" и "0" в диференциален сигнал.
Предава диференциален сигнал към балансирана комуникационна линия.
Свързва или изключва предавателя на драйвера, използвайки по -висок протоколен сигнал.
Приема диференциален сигнал от комуникационната линия.
Ако свържете осцилоскопа към щифтовете AB (RS-485) и GND-TDx щифтовете (RS-232), тогава няма да видите разликата във формата на сигналите, предавани в комуникационните линии. Всъщност формата на сигнала RS-485 напълно повтаря формата на сигнала RS-232, с изключение на инверсията (в RS-232 се предава логическа единица с напрежение -12 V, а в RS-485 +5 V) .
Фиг.1 Сигнал от RS-232 и RS-485 при предаване на два знака "0" и "0".
Както може да се види от фиг. 1, има просто преобразуване на нивата на сигнала по напрежение.
Въпреки че формата на вълната е една и съща за гореспоменатите стандарти, методът на тяхното формиране и мощността на сигнала са различни.
Фиг. 2 Формиране на RS-485 и RS-232 сигнали
Конвертирането на нивата на сигнала и новият метод за тяхното формиране позволиха решаването на редица проблеми, които едно време не бяха взети предвид при създаването на стандарта RS-232.
Предимства на RS-485 физически сигнал пред RS-232 сигнал
Използва се еднополюсно захранване + 5V, което се използва за захранване на повечето електронни устройства и микросхеми. Това опростява дизайна и улеснява съвпадението на устройствата.
Силата на сигнала на предавателя RS-485 е 10 пъти по-голяма от силата на сигнала на предавателя RS-232. Това позволява до 32 приемника да бъдат свързани към един RS-485 предавател и по този начин предаване на данни.
Използване на балансирани сигнали, които са галванично изолирани от потенциала на захранването. В резултат на това смущенията са изключени от нулевия проводник на захранването (както в RS-232). Като се има предвид способността на предавателя да работи при натоварване с нисък импеданс, става възможно да се използва ефектът на отхвърляне на шума в общ режим, използвайки свойствата на „усукана двойка“. Това значително увеличава обхвата на комуникация. Освен това става възможно „горещо“ свързване на устройството към комуникационната линия (въпреки че това не е предвидено от стандарта RS-485). Имайте предвид, че в RS-232 горещото включване на устройството обикновено води до повреда на COM порта на компютъра.
Всеки трансивър (драйвер) RS-485 може да бъде в едно от двете състояния: предаване на данни или приемане на данни. Драйверът RS-485 се превключва чрез специален сигнал. Например, фиг. 3 показва обмен на данни с помощта на конвертора AC3 от Овен. Режимът на преобразувателя се превключва чрез RTS сигнал. Ако RTS = 1 (True), AC3 предава данни, които идват към него от COM порта към мрежата RS-485. В този случай всички други драйвери трябва да са в режим на приемане (RTS = 0). По принцип RS-485 е двупосочен буферизиран мултиплексиран усилвател за RS-232 сигнали.
Фиг. 3 Пример за използване на конвертора на Овен AC3.
Ситуацията, когато повече от един RS-485 драйвер в режим на предавател ще работи едновременно, води до загуба на данни. Тази ситуация се нарича "сблъсък". За да се избегнат сблъсъци в каналите за обмен на данни, е необходимо да се използват по -високи протоколи (OSI). Като например MODBUS, DCON, DH485 и др. Или програми, които работят директно с RS-232 и решават проблеми при сблъсък. Тези протоколи обикновено се наричат 485 протоколи. Въпреки че всъщност хардуерната основа на всички тези протоколи е, разбира се, RS-232. Той осигурява хардуерна обработка на целия информационен поток. Софтуерната обработка на потока от данни и решаването на проблеми със сблъсъци се решават чрез протоколи от по-високо ниво (Modbus и др.) И софтуер.
Нека да разгледаме набързо тези протоколи, въпреки че те не са свързани със стандарта RS-485. Обикновено протоколът за горния слой включва обмен на пакети, рамки или рамки. Тоест информацията се предава в логически завършени части. Всеки кадър е задължително маркиран, т.е. неговото начало и край се обозначават със специални знаци. Всеки кадър съдържа адреса на устройството, командата, данните, контролната сума, които са необходими за организиране на многоточков обмен. За да се избегнат сблъсъци, обикновено се използва схемата "главен" - "подчинен". „Главният“ има право да превключва независимо своя RS-485 драйвер в режим на предаване, останалите RS-485 драйвери работят в режим на приемане и се наричат „подчинени“. За да може „подчиненият“ да започне да предава данни към комуникационната линия, „главният“ му изпраща специална команда, която дава на устройството с посочения адрес правото да превключи драйвера си в режим на предаване за определено време.
След като предаде командата за разрешаване на „подчинения“, „главният“ изключва своя предавател и изчаква отговора от „подчинения“ за период от време, наречен „изчакване“. Ако по време на изчакването не бъде получен отговор от „подчинения“, тогава „главният“ отново превзема комуникационната линия. „Майсторът“ обикновено е програма, инсталирана на компютър. Съществува и по -сложна организация на пакетните протоколи, което дава възможност за циклично прехвърляне на ролята на „главния“ от устройство на устройство. Обикновено такива устройства се наричат „лидери“ или се казва, че устройствата предават „маркер“. Притежаването на "маркера" прави устройството "майстор", но ще трябва да го прехвърли на друго устройство в мрежата според определен алгоритъм. По принцип горните протоколи се различават в тези алгоритми.
Както виждаме, горните протоколи имат пакетна организация и се изпълняват на ниво софтуер, те позволяват да се реши проблемът с „сблъсъци“ на данни и многоточкова организация на обмена на данни.
Много компании произвеждат трансивери RS485. Обикновено се наричат RS232 - RS485 конвертори или RS232 -RS485 конвертори. За внедряването на тези устройства се произвеждат специални микросхеми. Ролята на тези микросхеми е да преобразуват нивата на сигнала RS232C в нива на сигнала RS485 (TTL / CMOS) и обратно, както и да осигурят полудуплексна работа.
По метода на преминаване към режим на предаване се разграничават устройства:
Превключва се чрез отделен сигнал. За да превключите в режим на предаване, трябва да настроите активен сигнал на отделен вход. Обикновено това е RST сигнал (COM порт). Тези приемо -предавателни устройства вече са редки. Но въпреки това понякога те не са заменяеми. Да речем, че трябва да слушате обмена на данни между контролерите за промишлено оборудване. В същото време вашият трансивър не трябва да влиза в режим на предаване, за да не създаде сблъсък в тази мрежа. Тук не е разрешено използването на приемо -предавател с автоматично превключване. Пример за такъв конвертор Овен AC3.
С автоматично превключване и без проверка на състоянието на линията. Най -често срещаните преобразуватели, които се превключват автоматично, когато на входа им се появи информационен сигнал. В същото време те не контролират натовареността на комуникационната линия. Тези преобразуватели изискват внимателна употреба поради високата вероятност от сблъсъци. Пример за конвертора на Овен AC3M.
С автоматично превключване и с проверка на състоянието на линията. Най -модерните преобразуватели, които могат да предават данни към мрежата само ако мрежата не е заета от други приемо -предаватели и има информационен сигнал на входа.
Фиг.4 Схематична диаграма на AC3 Овен.
Фигура 4 показва схематична диаграма на AC3 Овен конвертора. Този преобразувател има отделен сигнал, който позволява режим на трансфер на данни. COM изходният сигнал на RST порта се използва като управляващ сигнал. Ако RST = 1 (+ 12V) конверторът предава данни от TD (COM порт) към мрежата RS485, ако RST = 0 (-12 V), тогава данните се получават от мрежата RS-485 към RD (COM порт) вход. Преобразувателят работи на 220 волта AC индустриална мрежа. Захранването на преобразувателя е направено съгласно импулсна верига, базирана на микросхема TOP232N (DA1). Захранването осигурява две независими напрежения + 5V. За приемане и преобразуване на полярни сигнали RS232 (± 12 V) в униполарни сигнали TTL / CMOS ниво (+5 V) се използва микросхема MAX232N (DD1). Тази микросхема е интересна с това, че се захранва от еднополюсно напрежение +5 V и има вградени източници на напрежение, които са необходими за работа с полярни сигнали от ± 12 V. За правилната работа на вградените източници на напрежение, външни кондензатори C14, C15, C17, C18 са свързани към микросхемата MAX232N. ... В допълнение, микросхемата има два преобразувателя на сигнални нива RS-232C към TTL / CMOS в двете посоки.
Присвояване на сигнал:
RST - за превключване на преобразувателя в режим на предаване / приемане
TD - прехвърляне на данни от RS232 към RS485
RD - приемане на данни в RS232 от RS485
Освен това, RS232 сигналите, преобразувани в ниво TTL / CMOS, се подават към 6N137 оптрон, които осигуряват галванична изолация на RS232 и RS485 сигнали. За предаване / получаване на данни отстрани на интерфейса RS485 се използва микросхема DS75176 (многоточков предавател RS485). Тази микросхема се захранва от отделен източник с напрежение +5 V. Микросхемата е усилвател на сигнал на ниво TTL / COMOS с превключване на посоката на предаване. Изходите DS75176 са свързани към изводи A и B чрез резистори от 100 ома, което осигурява ток на късо съединение A-B от 250 mA. Силата на сигнала RS485 е около 10 пъти по -голяма от тази на сигналите RS232. Тази микросхема усилва сигнала до необходимата мощност и осигурява полудуплексна работа.
Мрежата RS-485 е изградена по схема на серийна шина (шина), т.е. устройствата в мрежата са свързани последователно със симетрични кабели. В този случай краищата на комуникационните линии трябва да бъдат натоварени с терминални резистори (терминатори), чиято стойност трябва да бъде равна на характерния импеданс на комуникационния кабел.
Терминаторите изпълняват следните функции:
Намалява отражението на сигнала от края на комуникационната линия.
Осигурява достатъчен ток през цялата комуникационна линия, за да отхвърли шума от общия режим с кабел с усукана двойка.
Ако разстоянието на мрежовия сегмент надвишава 1200 m или броят на драйверите в сегмента е повече от 32 броя, трябва да използвате повторител, за да създадете следващия мрежов сегмент. Освен това всеки сегмент на мрежата трябва да бъде свързан към терминатори. В този случай мрежов сегмент се счита за кабел между крайно устройство и повторител или между два повторителя.
Стандартът RS-485 не уточнява какъв тип балансиран кабел да използва, но де факто те използват кабел с усукана двойка с характерен импеданс 120 ома.
Фигура 6 Belden 3106A Индустриален кабел за мрежи RS485
Препоръчително е да използвате индустриален кабел Belden3106A за мрежи RS485. Този кабел има характерен импеданс от 120 ома и представлява кабел с двойно екранирана усукана двойка. Кабелът Belden3106A съдържа 4 проводника. Оранжевите и белите проводници са симетрично екранирана усукана двойка. Синият проводник на кабела се използва за свързване на нулевия потенциал на захранванията на устройствата в мрежата и се нарича "общ" (Common). Голият проводник се използва за заземяване на кабелната обвивка и се нарича дренаж. В мрежов сегмент дренажният проводник е заземен чрез съпротивление на шасито на устройството, в единия от краищата на сегмента, за да се предотврати протичането на разсеяните токове през кабелната обвивка, при различен потенциал на земята в отдалечени точки.
Обикновено крайното и защитното земно съпротивление се намират вътре в устройството. Необходимо е да ги свържете правилно с помощта на джъмпери или превключватели. Описание на тези връзки трябва да се намери в техническата документация на производителя на устройството.
Фигура 7 1747-AIC Схема на свързване (Алън Брадли)
Фигура 7 показва кабелните връзки към междинни устройства в мрежов сегмент. За първия инструмент на мрежов сегмент DH-485 трябва да се инсталира джъмпер 5-6 (който свързва 120 омовия терминатор, който е вътре в 1747-AIC) и джъмпер 1-2 (свързва дренажния проводник към шасито на инструмента чрез вътрешно съпротивление). За последното устройство в сегмента на мрежата трябва да се инсталира само джъмпер 5-6 (свържете терминатор)
Когато използвате други балансирани кабели, особено когато техният характерен импеданс не е известен, размерът на терминаторите се избира емпирично. За да направите това, трябва да инсталирате осцилоскопа в средата на мрежовия сегмент. Чрез контролиране на формата на правоъгълни импулси, предавани от един от драйверите, може да се заключи, че е необходимо да се регулира стойността на съпротивлението на терминатора.
Интерфейсът RS-485 се превърна в основен физически интерфейс за промишлени мрежи за предаване на данни. Протоколи като ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 работят на физическия слой RS-485.
Протоколите за промишлено предаване на данни често се класифицират от производителите. Информацията за конкретен комуникационен протокол трябва да се събира малко по малко.
Специалист, работещ с индустриални мрежи, се нуждае от програма за четене на цялата информация, предавана в информационните мрежи. Основните тайни на индустриалните протоколи могат да бъдат открити само чрез цялостен анализ на предадените и получените данни. Програмата ComRead v.2.0 е предназначена за запазване и показване на данни и служебни сигнали, предавани в информационни мрежи, които работят съгласно стандартите RS-232, RS-485, Bell-202 и др. Програмата не само записва цялата информация, но и също създава времева база от данни и сервизни сигнали. Програмата ComRead v.2.0 сканира информационния канал, без това да повлияе на работата му, тоест работи в режим на слушане на физически носител за предаване на информация. В допълнение, програмата може да работи в режим на преводач на данни и служебни сигнали. В същото време той става пряка част от информационния комуникационен канал. Повече подробности можете да намерите с програмата тук
Възможност за излъчване.
Многоточкова връзка.
Недостатъци на RS485
Висока консумация на енергия.
Липса на сигнали за обслужване.
Възможност за сблъсъци.
Стандартът RS-485 е приет за първи път от Асоциацията на електрониката. Днес той преглежда електрическите характеристики на различни приемници и предаватели, които се използват в балансирани цифрови системи.
Какъв е този стандарт?
RS-485 е името на добре познат интерфейс, който се използва активно във всички видове промишлени системи за управление с цел свързване на определени контролери и много други устройства един към друг. Основната разлика между този интерфейс и RS-232 е, че включва комбиниране на няколко вида оборудване едновременно. Когато използвате RS-485, високоскоростният обмен на данни между няколко устройства е гарантиран чрез използване на една двужична комуникационна линия в полудуплексен режим. Той участва в съвременната индустрия в създаването на системи за управление на процеси.
Обхват и скорост
С помощта на представения стандарт е възможно да се постигне предаване на информация със скорост до 10 Mbit / s. Трябва да се отбележи, че в този случай максималният възможен обхват директно зависи от скоростта на предаване на данни. Трябва да се отбележи, че за да се осигури максимална скорост, информацията може да се предава не повече от 120 метра. В същото време при скорост от 100 kbps данните се предават на 1200 метра.
Броят на комбинираните устройства
Броят на устройствата, които интерфейсът RS-485 може да комбинира сам по себе си, директно зависи от това кои трансивери са включени в тях. Всеки предавател осигурява специфичен контрол на 32 стандартни приемника. Вярно е, че трябва да знаете, че има приемници с входен импеданс, който се различава от стандартния с 50%, 25% или по -малко. Ако използвате това оборудване, общият брой на устройствата съответно се увеличава.
Съединители и протоколи
Кабелът RS-485 не е в състояние да стандартизира конкретен формат на рамка за данни или комуникационен протокол. По правило същите кадри, използвани от RS-232, се използват за излъчване. С други думи, битовете данни, битовете за спиране и стартиране и битът за паритет, ако е необходимо. Що се отнася до работата на протоколите за обмен, в повечето съвременни системи тя се изпълнява по принципа "master-slave". Това означава, че определено устройство в мрежата действа като главно и инициира обмена на изпращащи заявки между подчинени устройства, които се различават помежду си по логически адреси. Най -известният протокол в момента е Modbus RTU. Трябва да се отбележи, че кабелът RS-485 няма специфичен тип конектори или окабеляване. С други думи, има терминални конектори, DB9 и други.
Връзка
Често, използвайки представения интерфейс, има локална мрежа, която комбинира няколко типа трансивъри едновременно. При осъществяване на RS-485 връзка е необходимо правилно да се свържат сигналните вериги. Като правило те се наричат A и B. По този начин обръщането на полярността не е голяма работа, просто свързаните устройства спират да работят.
Когато използвате интерфейса RS-485, е необходимо да се вземат предвид някои характеристики на неговата работа. Следователно препоръките са следните:
1. Оптималната среда за предаване на сигнал е кабел с усукана двойка.
2. Краищата на кабела трябва да бъдат завършени с помощта на специализирани терминални резистори.
3. Мрежата, където се използва стандарт или USB RS-485, трябва да бъде положена без разклонения според топологията на шината.
4. Устройствата трябва да бъдат свързани към кабела, като се използва възможно най -късата дължина на кабела.
Хармонизиране
С помощта на терминални резистори стандартният или USB RS-485 гарантира пълно съвпадение на отворения край на кабела с последващата линия. Това напълно елиминира възможността за отражение на сигнала. Номиналният импеданс на резисторите, свързан с характерния импеданс на кабела и проводниците с усукана двойка, обикновено е около 100-120 ома. Например, известният понастоящем кабел UTP-5, който често се използва в процеса на полагане на Ethernet, има характерен импеданс от 100 ома.
За други опции за кабел могат да се прилагат други оценки. Резисторите могат да бъдат запоени върху щифтовете на кабелните конектори в крайните устройства, ако е необходимо. Не често се инсталират резистори в самото оборудване, в резултат на което трябва да се монтират джъмпери за свързване на резистора. В този случай, когато устройството е свързано, линията е несъответстваща. За да осигурите нормалното функциониране на останалата част от системата, ще трябва да свържете терминален щепсел.
Нива на сигнала
Портът RS-485 приема балансирана комуникационна схема. С други думи, нивата на напрежение в сигналните вериги А и В се променят в антифаза. Сензорът осигурява ниво на сигнал от 1,5 V, като се вземе предвид границата на натоварване. Освен това се осигурява максимум 6 V, когато устройството работи на празен ход. Нивото на напрежение се измерва различно. На мястото на приемника минималното ниво на приетия сигнал трябва да бъде най -малко 200 mV.
Пристрастия
Когато няма сигнал по сигналните вериги, се прилага малко отместване. Той осигурява защита на приемника в случай на фалшива аларма. Експертите съветват да се направи отместване от малко повече от 200 mV, тъй като се счита, че тази стойност съответства на ненадеждната зона на входния сигнал според стандарта. В такава ситуация верига А се доближава до положителния полюс на източника, а верига В се издърпва към общия.
Пример
Стойностите на резисторите се изчисляват въз основа на необходимото отклонение и захранващото напрежение. Например, ако искате да получите отместване от 250 mV с терминални резистори, RT = 120 ома. Трябва да се отбележи, че източникът има напрежение 12 V. Като се вземе предвид фактът, че в този случай двата резистора са свързани успоредно един с друг и изобщо не отчитат натоварването от приемника, токът на отклонение достига 0,0042. В същото време общото съпротивление на отклонение е 2857 ома. В този случай Rcm ще бъде около 1400 Ohm. По този начин ще трябва да изберете най -близкия номинал. Пример би бил резистор от 1,5 kΩ. Изисква се за изместване. Освен това се използва външен 12 -волтов резистор.
Трябва също така да се отбележи, че системата има изолиран изход от захранването на контролера, което е основната връзка в собствения сегмент на веригата. Вярно е, че има и други опции за извършване на отклонение, където са включени конверторът RS-485 и други елементи, но все пак трябва да вземете предвид факта, че възелът, осигуряващ отклонението, понякога ще се изключи или в крайна сметка ще бъде напълно премахнат от мрежата . Когато съществува отклонение, потенциалът на напълно празен ход на верига А се счита за положителен по отношение на верига В. Това действа като ориентир при свързване на ново оборудване към кабела, без да се използват маркери за проводници.
Неправилно окабеляване и изкривяване
Изпълнението на горепосочените препоръки дава възможност за постигане на правилно предаване на електрически сигнали до различни точки в мрежата, когато протокол RS-485 се използва като основа. Ако поне едно от изискванията не е изпълнено, възниква изкривяване на сигнала. Най -забележимите изкривявания се появяват, когато обменът на информация е по -висок от 1 Mbps. Вярно е, че дори при по -ниски скорости не се препоръчва да се пренебрегват тези съвети. Това правило важи и по време на нормалната работа на мрежата.
Как да програмирате?
При програмиране на различни приложения, които работят с устройства, използвани от RS-485 сплитер и други устройства с представения интерфейс, трябва да се вземат предвид няколко важни точки.
Преди да започне доставката на пратката, е задължително да активирате предавателя. Трябва да се отбележи, че според някои източници издаването може да се извърши веднага след активирането. Въпреки това някои експерти съветват първо да направите пауза, равна по време на скоростта на излъчване на един кадър. В този случай правилната програма за приемане може напълно да идентифицира грешките на преходния процес, който е в състояние да извърши процедурата по нормализиране и да се подготви за следващото приемане на данни.
Когато е издаден последният байт от данни, трябва също да направите пауза, преди да изключите устройството RS-485. Това в известен смисъл се дължи на факта, че в контролера сериен портчесто има два регистри едновременно. Първият е паралелен вход, той е предназначен да получава информация. Вторият се счита за изходен изход, той се използва за целите на сериен изход.
Когато контролерът прехвърля данни, всички прекъсвания се генерират, когато входният регистър е празен. Това се случва, когато информацията вече е предоставена в регистъра за смяна, но все още не е издадена. Това е и причината след прекратяването на излъчването да е необходимо да се поддържа определена пауза преди изключване на предавателя. Той трябва да бъде с около 0,5 бита по -дълъг от кадъра във времето. При извършване на по -точни изчисления се препоръчва да се проучи по -подробно техническата документация на използвания контролер на серийния порт.
Възможно е предавателят, приемникът и преобразувателят RS-485 да са свързани към обща линия. По този начин собственият приемник също ще започне да възприема предаването, направено от негов собствен предавател. Често се случва, когато в системи, които се характеризират със случаен достъп до линията, тази функция се използва за проверка дали няма сблъсък между два предавателя.
Конфигурация на шинен формат
Представеният интерфейс има възможност да комбинира устройства във "шинен" формат, когато цялото оборудване е свързано с помощта на една двойка проводници. Това предвижда, че комуникационната линия трябва да бъде съпоставена от крайните резистори на двата края. За да се гарантира това, е необходимо да се монтират резистори, които се характеризират с съпротивление от 620 ома. Те винаги са монтирани на първото и последното устройство, свързано към линията.
По правило съвременните устройства имат вграден съвпадащ резистор. Ако възникне необходимост, тя може да бъде свързана към линията чрез инсталиране на специален джъмпер на платката на устройството. Заслужава да се отбележи, че състоянието на доставка на джъмперите е зададено първо, така че трябва да ги премахнете от всички устройства, с изключение на първото и последното. Трябва също така да се отбележи, че в ретранслаторните преобразуватели на модел S2000-PI за отделен изход съответното съпротивление се активира с помощта на превключвател. Що се отнася до устройствата S2000-KS и S2000-K, които се характеризират с вградено съвпадащо съпротивление, джъмпера, необходим за свързването му, не съществува. За осигуряване на дълга комуникационна линия е препоръчително да се използват специализирани повторители-повторители, които са предварително оборудвани с напълно автоматични превключватели за посоката на предаване.
Звездна конфигурация
Всички кранове на линията RS-485 се считат за нежелани, тъй като това би довело до прекомерно изкривяване на сигнала. Въпреки че от гледна точка на практиката е възможно да се признае това, когато има малка дължина на клона. В този случай няма нужда да инсталирате терминални резистори на отделни клони.
В система RS-485, където управлението се осигурява чрез дистанционното управление, когато резистори и устройства са свързани към една и съща линия, но захранвани от различни източници, е необходимо да се комбинират 0 V вериги на всички устройства и конзолата в за да се постигне изравняване на техните потенциали. Когато това изискване не е изпълнено, дистанционното може да прекъсва комуникация с устройства. Когато използвате проводници с няколко усукани двойки, може да се използва напълно свободна двойка за веригата за изравняване на потенциала, ако е необходимо. Освен това е възможно да се използва екранирана усукана двойка, ако щитът не е заземен.
Какво трябва да се има предвид?
В повечето случаи токът, протичащ през проводника за еквипотенциално свързване, се счита за доста малък. Ако 0 V устройства или самите захранвания са свързани към няколко локални заземени шини, тогава потенциалната разлика между различните 0 V вериги може да достигне няколко единици. Понякога тази стойност е около десетки волта, а токът, който протича през веригата за изравняване на потенциала, е доста значителен. Това често е причината, поради която има нестабилна връзка между дистанционното управление и устройствата. В резултат на това те дори са в състояние да се провалят.
Следователно е необходимо да се изключи възможността за заземяване на 0 V верига или да се заземи тази верига в определена точка. Освен това трябва да се обмисли възможността за взаимовръзка между 0 V и защитната заземителна верига, която присъства в оборудването, използвано в алармената система. Трябва да се отбележи, че на места, където е характерна относително тежка електромагнитна среда, е възможно да се свържете към тази мрежа с помощта на кабел "екранирана усукана двойка". Остава да се подчертае, че в тази ситуация може да има по -малък граничен диапазон, тъй като капацитетът на проводника се счита за по -висок.
Лесно е да се правят дизайни, използващи RS-485, за да отслабнете, ако разбирате как да поддържате добро качество на комуникацията в същото време. Тази статия обхваща факти, митове и жестоки шеги, които трябва да знаете, за да постигнете тази цел.
В индустриалните системи и системите за автоматизация на сгради се използват редица устройства за отдалечено събиране на данни, които предават и получават информация чрез централен модул, който осигурява достъп до данните на потребителите и други процесори. Регистраторите на данни и четците са типични за тези приложения. Почти идеална линия за данни за това е дефинирана от стандарта RS-485, който свързва устройства за събиране на данни с кабел с усукана двойка.
Тъй като много от устройствата за събиране и съхранение на данни в мрежите RS-485 са компактни, самостоятелни устройства, захранвани от батерии, са необходими мерки за намаляване на тяхната консумация на енергия, за да се контролира тяхното генериране на топлина и да се увеличи животът на батерията. По същия начин, икономията на енергия е важна за носими устройства и други приложения, където RS-485 се използва за изтегляне на данни в централен процесор.
Следващият раздел е предназначен предимно за тези, които не са запознати с RS-485.
RS-485: история и описание
Стандартът RS-485 е разработен съвместно от две асоциации на производители: Асоциацията на промишлеността на електрониката (EIA) и Асоциацията на телекомуникационната индустрия (TIA). ОВОС веднъж е обозначил всички свои стандарти с префикс „RS“ (препоръчителен стандарт). Много инженери продължават да използват това обозначение, но EIA / TIA официално замени „RS“ с „EIA / TIA“, за да улесни идентифицирането на произхода на техните стандарти. Днес различните разширения на стандарта RS-485 обхващат голямо разнообразие от приложения.
RS-485 и RS-422 имат много общо и затова често се бъркат. Таблица 1 ги сравнява. RS-485, който определя двупосочна полудуплексна комуникация, е единственият стандарт EIA / TIA, който позволява множество приемници и драйвери в конфигурации на шини. EIA / TIA-422, от друга страна, дефинира единичен еднопосочен драйвер за много приемници. Елементите RS-485 са обратно съвместими и взаимозаменяеми с техните аналози на RS-422, но драйверите RS-422 не трябва да се използват в системи, базирани на RS-485, тъй като те не могат да се откажат от управлението на шината.
Таблица 1. Стандарти RS-485 и RS-422
| RS-422 | RS-485 | |
| Работни часове | Диференциална | Диференциална |
| Tx и Rx са разрешени | 1 Tx, 10 Rx | 32 Tx, 32 Rx |
| Максимална дължина на кабела | 1200 м | 1200 м |
| Максимална скорост на предаване | 10 Mbps | 10 Mbps |
| Минимален изходен обхват на драйвера | ± 2V | ± 1.5V |
| Максимален изходен обхват на драйвера | ± 5V | ± 5V |
| Максимален ток на късо съединение на драйвера | 150 mA | 250 mA |
| Устойчивост на натоварване Tx | 100 ома | 54 ома |
| Rx входна чувствителност | ± 200 mV | ± 200 mV |
| Максимален входен импеданс Rx | 4 kΩ | 12 kΩ |
| Rx диапазон на входното напрежение | ± 7V | -7 V до +12 V |
| Логика-едно ниво Rx | > 200 mV | > 200 mV |
| Rx логическо нулево ниво | < 200 мВ | < 200 мВ |
ESD защита
Предаването на диференциален сигнал в системи, базирани на RS-485 и RS-422, осигурява надеждно предаване на данни при наличие на шум, а диференциалните входове на техните приемници също могат да потискат значителни напрежения в общия режим. Трябва обаче да се предприемат допълнителни мерки за защита срещу значително по -високите нива на напрежение, обикновено свързани с електростатичен разряд (ESD).
Зареденият капацитет на човешкото тяло позволява на човек да унищожи интегрална схема, като просто я докосне. Такъв контакт може лесно да възникне при полагане и свързване на интерфейсния кабел. За да се предпазят от такива разрушителни ефекти, интерфейсните чипове MAXIM включват "ESD структури". Тези структури защитават изходите на предавателите и входовете на приемника в приемо-предавателите RS-485 от нива на ESD до ± 15kV.
За да осигури заявената защита от ESD, Maxim многократно тества положителните и отрицателните щифтове на захранване на стъпки от 200V, за да провери съвместимостта на нива до ± 15kV. Устройствата от този клас (отговарящи на спецификациите на модела на човешкото тяло или на IEC 1000-4-2) са маркирани с допълнителен суфикс „Е“ в обозначението на продукта.
Капацитетът на натоварване на драйвер RS-485 / RS-422 се определя количествено по отношение на единично натоварване, което от своя страна се определя като входен импеданс на един стандартен приемник RS-485 (12 kΩ). По този начин стандартният драйвер RS-485 може да управлява 32 единични товара (32 паралелни натоварвания 12K ома). Въпреки това, за някои RS -485 приемници, входният импеданс е по -висок - 48 kOhm (1/4 единица товар) или дори 96 kOhm (1/8 единица товар) - и съответно 128 или 256 такива приемника могат да бъдат свързани към един автобус наведнъж .... Можете да свържете всяка комбинация от типове приемници, докато техният паралелен импеданс не надвишава 32 единични натоварвания (т.е. общият импеданс не е по -малък от 375 ома).
Последици от високи скорости
По -бързите предавания изискват по -високи скорости на нарастване на изхода на драйвера, а те от своя страна произвеждат по -високи нива на електромагнитни смущения (EMI). Някои трансивери RS-485 свеждат EMI до минимум, като ограничават скоростта на тяхното нарастване. По -ниските скорости на нарастване също помагат да се контролират отраженията, причинени от бързи преходни процеси, високи скорости на данни или дълги връзки. Ключът към минимизиране на отраженията е използването на терминални резистори с номинална стойност, съответстващи на характерния импеданс на кабела. За конвенционалните кабели RS-485 (проводници с усукана двойка 24AWG) това означава поставяне на 120 ома резистори в двата края на комуникационната линия.
Къде отива цялата сила?
Очевиден източник на загуба на мощност е токът на покой на трансивъра (IQ), който е значително намален в съвременните устройства. Таблица 2 сравнява токовете на покой на CMOS трансиверите с ниска мощност с индустриалния стандарт 75176.
Таблица 2. Сравнение на токовете на утечка за различните предаватели RS-485
Друга характеристика на консумацията на енергия на трансиверите RS-485 се появява, когато няма натоварване, изходът на драйвера е активиран и наличието на периодичен входен сигнал. Тъй като отворените линии винаги трябва да се избягват в RS-485, драйверите забиват своите изходни структури всеки път, когато изходът се превключи. Това кратко включване на двата изходни транзистора незабавно предизвиква пусков ток в захранването. Достатъчно голям входен кондензатор намалява тези пренапрежения, произвеждайки RMS ток, който нараства с скоростта на предаване до максималната си стойност. За трансиверите MAX1483 този максимум е приблизително 15 mA.
Свързването на стандартен RS-485 трансивер към минималното натоварване (още един трансивер, два крайни резистора и два защитни резистора) ви позволява да измервате зависимостта на захранващия ток от скоростта на предаване при по-реалистични условия. Фигура 2 показва ICC спрямо скоростта на предаване за MAX1483 при следните условия: стандартни 560 ома, 120 ома и 560 ома резистори, VCC = 5V, DE = / RE \ = VCC и 300m кабел.
Както можете да видите от Фигура 2, текущото потребление се повишава до приблизително 37mA дори при изключително ниски скорости на предаване; това се причинява предимно от добавянето на крайни резистори и резистори на отклонение. За приложения с ниска мощност това трябва да демонстрира важността на използвания тип договаряне, както и начина за постигане на толерантност към грешки. Толерантността към грешки е обсъдена в следващия раздел, а подробно описание на помирението е налично в „Лошите шеги на помирението“.
отказоустойчивост
При напрежения на входовете на RS -485 приемници в диапазона от -200mV до + 200mV, изходното състояние остава неопределено. С други думи, ако диференциалното напрежение на страната RS-485 в полудуплекс конфигурация е 0V и никой от приемо-предавателите не води линията (или връзката е прекъсната), тогава логическа и логическа нула на изхода са еднакво вероятно. За да се осигури определено състояние на изхода при такива условия, повечето съвременни приемо-предаватели RS-485 изискват инсталиране на резистори за отклонение: първоначален резистор на високо ниво (издърпване) на едната линия (A) и ниско ниво (издърпване) на другата ( B), както е показано на фигура 1. Исторически, резисторите за отклонение са били оценени на 560 ома в повечето схеми, но за да се намалят загубите на мощност (при завършване само в единия край на връзката) тази стойност може да се увеличи до приблизително 1,1 kΩ. Някои дизайнери инсталират резистори в двата края с оценки от 1.1k до 2.2k. Тук трябва да намерите компромис между шумоизолация и консумация на енергия.
Фигура 1. Три външни резистора образуват веригата за терминация и отклонение за този RS-485 трансивер.
Фигура 2. MAX1483 захранващ ток на трансивер срещу скорост на предаване.
Производителите на трансивери RS-485 преди това елиминираха необходимостта от външни резистори на отклонение, като осигуриха вътрешни положителни резистори на отклонение на входовете на приемника, но този подход беше ефективен само при решаването на проблема с отворената верига. Резисторите с положително отклонение, използвани в тези псевдобезопасни приемници, бяха твърде слаби, за да изравнят изхода на приемника на съответната шина. Други опити да се избегне използването на външни резистори чрез промяна на праговете на приемника на 0V и -0.5V нарушават спецификацията RS -485.
Семейството на трансиверите MAX3080 и MAX3471 на Maxim разреши и двата проблема, като определи точен прагов диапазон от -50mV до -200mV, като по този начин премахна необходимостта от резистори на отклонение, като същевременно запази пълното съответствие със стандарта RS -485. Тези интегрални схеми гарантират, че вход 0V към приемника ще доведе до повишаване на изхода. Освен това този дизайн гарантира известно състояние на изхода на приемника за условия на отворена и затворена линия.
Както е показано в таблица 2, приемо -предавателите се различават значително по стойностите на тока на покой. Следователно, първата стъпка за спестяване на енергия трябва да бъде изборът на устройство с ниска мощност като MAX3471 (2,8 μA с деактивиран драйвер, до 64 Kbps). Тъй като консумацията на енергия се увеличава значително по време на предаване на данни, друга цел е да се сведе до минимум времето на работа на водача чрез предаване на кратки телеграми (блокове от данни, приблизително за.) С дълги периоди на изчакване между тях. Таблица 3 показва структурата на типична серийна телеграма.
Таблица 3. Серийна телеграма
Системата, базирана на RS-485, използваща приемници в едно единично натоварване (до 32 адресируеми устройства), може например да има следните битове: 5 бита за адрес, 8 бита за данни, начални битове (всички кадри), стоп битове (всички кадри) , паритетни битове (по избор) и CRC битове (по избор). Минималната дължина на телеграмата за тази конфигурация е 20 бита. За сигурни трансфери трябва да изпратите допълнителна информация като размер на данните, адрес на изпращача и посока, което ще увеличи дължината на телеграмата до 255 байта (2040 бита).
Тази промяна в дължината на телеграмата със структура, определена от стандарти като X.25, осигурява надеждност на данните за сметка на увеличеното време на шината и консумацията на енергия. Например, прехвърлянето на 20 бита при 200 kbps ще отнеме 100 µs. Използвайки MAX1483 за изпращане на 200Kbps данни в секунда, средният ток е
(100 μs * 53 mA + (1 s - 100 μs) * 20 μA) / 1 s = 25.3 μA
Когато трансивърът е в режим на готовност, неговият драйвер трябва да бъде деактивиран, за да се сведе до минимум консумацията на енергия. Таблица 4 показва ефекта от дължината на телеграмата върху консумацията на енергия от един MAX1483 драйвер, който работи с известно прекъсване между предаванията. Използването на режим на изключване може допълнително да намали консумацията на електроенергия в система, която използва опросваща технология на фиксирани интервали или по -дълги, детерминирани пропуски между предаванията.
Таблица 4. Връзка между дължината на телеграмата и консумацията на ток при използване на драйвера MAX1483
В допълнение към тези софтуерни съображения, хардуерът предлага много места за подобряване на мощността. Фигура 3 сравнява токовете, консумирани от различни трансивери при предаване на сигнал с квадратна вълна по 300-метров кабел с активни драйвери и приемници. 75ALS176 и MAX1483 използват стандартна терминационна мрежа 560Ω / 120Ω / 560Ω в двата края на връзката, докато устройствата "истински отказоустойчиви" (MAX3088 и MAX3471) имат само 120Ω крайни резистори в двата края на шината ... При 20 Kbps консумационните токове варират от 12.2mA (MAX3471 с VCC = 3.3V) до 70mA (75ALS176). По този начин значително намаляване на консумацията на енергия се случва веднага, когато изберете устройство с ниска мощност с функция „истинска безопасност при отказ“, което също елиминира необходимостта от инсталиране на резистори на отклонение (към земята и към захранващата линия на VCC). Проверете дали приемникът на избрания от вас трансивер RS-485 извежда правилните логически нива както за отворени, така и за затворени вериги.
Фигура 3. Микросхемите на трансивъра се различават значително в зависимост от консумацията на ток от скоростта на пренос на данни.
Лоши шеги за подравняване
Както бе отбелязано по -горе, крайните резистори премахват отраженията, причинени от несъответствие на импеданса, но недостатъкът е допълнителното разсейване на мощността. Тяхното влияние е показано в Таблица 5, която показва консумационните токове за различни приемо -предаватели (с активен драйвер) за условия без резистори, използващи само крайни резистори, а също и комбинация от крайни резистори и защитни резистори на отклонение.
Таблица 5. Използването на крайни резистори и резистори на отклонение увеличава консумацията на ток
| MAX1483 | MAX3088 | MAX3471 | SN75ALS176 | |
| I VCC (без RT) | 60 μA | 517 μA | 74 μA | 22 μA |
| I VCC (RT = 120) | 24 μA | 22,5 μA | 19,5 μA | 48 μA |
| I VCC (RT = 560-120-560) | 42 μA | Н / Д | Н / Д | 70 μA |
Премахване на преговорите
Първият начин за намаляване на консумацията на енергия е да се премахнат напълно терминалните резистори. Тази опция е възможна само за къси връзки и ниски скорости на предаване на данни, които позволяват отраженията да се успокоят дори преди данните да бъдат обработени от приемника. Както показва практиката, съвпадението не е необходимо, ако времето за нарастване на сигнала е най-малко четири пъти времето за забавяне на еднопосочното разпространение на сигнала през кабела. Следните стъпки използват това правило за изчисляване на максимално допустимата дължина на несравним кабел:
По този начин MAX3471 може да осигури прилично качество на сигнала при предаване и приемане на 64Kbps през 38m кабел без терминиращи резистори. Фигура 4 демонстрира драстичното намаляване на консумацията на MAX3471, постигнато, когато се използват 30 метра кабел без терминален резистор вместо 300 метра кабел и 120 крайни резистора.
Фигура 4. Крайни резистори - основният консуматор на енергия.
RC съвпадение
На пръв поглед способността на RC терминацията да блокира постоянен ток е много обещаваща. Ще откриете обаче, че тази техника налага определени условия. Терминацията се състои от последователна RC мрежа паралелно с входовете на диференциалния приемник (A и B), както е показано на фигура 5. Въпреки че R винаги е равен на импеданса на кабела (Z 0), изборът на C изисква известно внимание. Голямата стойност C осигурява добро съвпадение, което позволява на всеки сигнал да види R, което съответства на Z0, но голяма стойност също увеличава пиковия изходен ток на драйвера. За съжаление, по -дългите кабели изискват по -високи стойности на C. Цели статии са посветени на определяне на рейтинга C, за да се постигне този компромис. Можете да намерите подробни уравнения по тази тема в уроците, свързани в края на тази статия.
Фигура 5. RC съвпадение намалява консумацията на енергия, но изисква внимателен избор на стойността C.
Средното напрежение на сигнала е друг важен фактор, който често се пренебрегва. Освен ако средното напрежение на сигнала не е балансирано с постоянен ток, ефектът на стъпаловидното стъпало с постоянен ток причинява значително трептене поради ефект, известен като „междусимволни смущения“. Накратко, RC терминацията е ефективна за намаляване на консумацията на енергия, но има тенденция да влошава качеството на сигнала. Тъй като договарянето с RC налага толкова много ограничения за използването му, най -добрата алтернатива в много случаи е изобщо да не се водят преговори.
Съвпадение на диод Шотки
Диодите Шотки предлагат алтернативен метод за съвпадение, когато високата консумация на енергия е проблем. За разлика от други видове прекъсвания, диодите на Шотки не се опитват да съответстват на импеданса на шината. Вместо това те просто потискат положителните и отрицателните върхове, причинени от отраженията. В резултат на това промените в напрежението са ограничени до положително прагово напрежение и нула.
Съответстващата верига на Шотки губи малко енергия, тъй като те се провеждат само в присъствието на положителни и отрицателни пренапрежения. От друга страна, стандартното резистивно прекратяване (със или без резистори на отклонение) постоянно разсейва мощността. Фигура 6 илюстрира използването на диоди на Шотки за борба с отраженията. Диодите Шотки не осигуряват безопасна работа, но праговите нива на напрежение, избрани в приемо-предавателите MAX308X и MAX3471, позволяват безопасна работа при този тип терминация.
Фигура 6. Въпреки високата цена, схемата за съвпадение на диодите на Шотки има много предимства.
Диодът на Шотки, най-доброто налично приближение към идеалния диод (нулево напрежение напред Vf, нула време на включване tON и нула време на възстановяване trr на нула), представлява голям интерес като заместител на гладни за захранване крайни резистори. Недостатъкът на това съвпадение в системите на базата на RS-485 / RS-422 е, че диодите на Шотки не могат да потиснат всички отражения. След като отразеният сигнал се разпадне под напрежението напред на диода Шотки, енергията му ще остане незасегната от съвпадащите диоди и ще остане, докато не се разсее от кабела. Дали това продължително смущение е значително или не, зависи от силата на сигнала на входовете на приемника.
Основният недостатък на Терминатора на Шотки е неговата цена. Една терминална точка изисква два диода. Тъй като шината RS-485 / RS-422 е диференциална, това число се умножава отново по две (Фигура 6). Използването на многоизмерни терминатори на Шотки в шината не е необичайно.
Диодните терминатори на Шотки предлагат много предимства за системите, базирани на RS-485 / RS-422, а спестяването на енергия е основното (Фигура 7). Не е необходимо да се изчислява, тъй като определените граници на дължината на кабела и скоростта на предаване ще бъдат достигнати преди каквито и да е ограничения на терминатора на Шотки. Друго предимство е, че множество терминатори на Шотки в различни кранове и на входовете на приемника подобряват качеството на сигнала, без да зареждат комуникационната шина.
Фигура 7. Консумацията на ток в системите RS-485 е силно зависима от скоростта на предаване и вида на терминацията.
Обобщавайки
Когато скоростта на пренос на данни е висока и кабелът е дълъг, е трудно да се осигури свръхниска консумация на енергия в системата RS-485 (в оригиналната „мощност на бълхите“-прибл. На човек.), Тъй като става необходимо да се инсталира съвпадащи устройства по комуникационната линия (терминатори). В този случай трансивърите с реален шум на изходите на приемника могат да пестят енергия дори с терминатори, като елиминират необходимостта от резистори на отклонение. Софтуерната комуникация също може да помогне за намаляване на консумацията на енергия чрез поставяне на трансивъра в деактивирано състояние или деактивиране на драйвера, когато не се използва.
За по -ниски скорости и по -къси кабели разликата в консумацията на енергия е огромна: Предаването на данни със скорост 60Kbps по 30 -милиметров кабел с помощта на стандартен трансивер SN75ALS176 с 120 Ω крайни резистори ще изисква 70 mA мощност от захранващата система. От друга страна, използването на MAX3471 при същите условия ще изисква само 2.5mA от захранването.
RS-485 е стандарт, който за първи път е приет от Асоциацията на електрониката. В момента този стандарт се занимава с електрическите характеристики на всички видове приемници и предаватели, използвани в различни балансирани цифрови системи.
Сред специалистите RS-485 е името на доста популярен интерфейс, който се използва активно в различни индустриални системи за управление за свързване на няколко контролера, както и много други устройства един към друг. Основната разлика между този интерфейс и не по-малко разпространения RS-232 е, че той осигурява комбинация от няколко вида оборудване едновременно.
С помощта на RS-485 се осигурява високоскоростен обмен на информация между няколко устройства чрез едно двужична линиякомуникация в полудуплексен режим. Той е широко използван в съвременната индустрия в процеса на формиране на система за управление на процеса.
С помощта на този стандарт информацията се предава със скорост до 10 Mbit / s, докато максимално възможният обхват ще зависи пряко от скоростта, с която се предават данните. По този начин, за да се осигури максимална скорост, данните могат да се предават не повече от 120 метра, докато при скорост от 100 kbit / s информацията се излъчва над 1200 метра.
Броят на устройствата, които интерфейсът RS-485 може да комбинира, ще зависи пряко от това кои трансивери се използват в устройството. Всеки предавател е проектиран да управлява едновременно 32 стандартни приемника, но трябва да разберете, че има приемници, чийто входен импеданс е 50%, 25% или дори по -малко от стандарта, и ако се използва такова оборудване, общият брой на устройствата ще увеличете съответно.
Кабелът RS-485 не стандартизира конкретен формат на информационни рамки или протокол за обмен. В по-голямата част от случаите се използват точно същите рамки, които използва RS-232, тоест битове данни, битове за спиране и стартиране, както и бит за паритет, ако е необходимо.
Работата на протоколите за обмен в повечето съвременни системи се осъществява съгласно принципа "master-slave", тоест някакво устройство в мрежата е master и поема инициативата да обменя изпращащи заявки между всички slave устройства, които се различават едно от друго по логически адреси. Най -популярният протокол днес е Modbus RTU.
Заслужава да се отбележи, че кабелът RS-485 също няма специфичен тип конектори или окабеляване, тоест може да има терминални конектори, DB9 и други.
Най -често, използвайки този интерфейс, има локална мрежа, която комбинира няколко трансивъра едновременно.
Когато правите RS-485 връзка, трябва компетентно да комбинирате сигнални вериги помежду си, обикновено наричани A и B. В този случай обръщането на полярността не е толкова ужасно, просто свързаните устройства няма да работят.
Когато използвате интерфейса RS-485, трябва да имате предвид няколко характеристики на неговата работа:
Използвайки терминални резистори, стандартният или USB RS-485 осигурява пълно съвпадение на отворения край на кабела с последващата линия, като напълно елиминира възможността за отражение на сигнала.
Номиналното съпротивление на резисторите съответства на характерния импеданс на кабела и за тези кабели, които са базирани на усукана двойка, в повечето случаи е приблизително 100-120 Ohm. Например, доста популярният днес кабел UTP-5, който се използва активно в процеса на полагане на Ethernet, има характерен импеданс от 100 ома. За други опции за кабел може да се използва друга оценка.
Резисторите, ако е необходимо, могат да бъдат запоени върху контактите на кабелните конектори вече в крайните устройства. Рядко се инсталират резистори в самото устройство, в резултат на което трябва да се монтират джъмпери за свързване на резистора. В този случай, ако устройството е изключено, линията е напълно несъответстваща. И за да осигурите нормалната работа на останалата част от системата, трябва да свържете съответния щепсел.
Портът RS-485 използва балансирана схема за предаване на данни, тоест нивата на напрежение на сигналните вериги A и B ще се променят в антифаза.
Сензорът трябва да осигурява ниво на сигнал от 1,5 V при пълно натоварване и не повече от 6 V, ако устройството работи на празен ход. Нивото на напрежение се измерва различно, всеки сигнален проводник спрямо другия.
Когато приемникът е разположен, минималното ниво на получения сигнал във всеки случай трябва да бъде най -малко 200 mV.
В случай, че няма сигнал по сигналните вериги, възниква леко отклонение, което предпазва приемника от фалшиви аларми.
Експертите препоръчват отклонение от малко повече от 200 mV, тъй като тази стойност съответства на зоната на ненадеждност на входния сигнал според стандарта. В този случай верига А се изтегля до положителния полюс на източника, докато верига В се издърпва към общата.
В съответствие с необходимото отклонение и напрежение на захранването, изчислението се извършва. Например, ако искате да получите отместване от 250 mV при използване на терминални резистори RT = 120 Ohm, като се има предвид, че източникът има напрежение 12 V. Като се има предвид, че в този случай два резистора са свързани паралелно помежду си, без изобщо да се отчита натоварването от приемника, токът на отклонение е 0,0042 A, докато общото съпротивление на веригата на отклонение е 2857 ома. R cm в този случай ще бъде приблизително 1400 ома, така че трябва да изберете най -близката стойност.
Като пример ще използваме 1.5k отклонителен резистор и външен 12 -волтов резистор. В допълнение, нашата система има изолиран изход от захранването на контролера, което е водещото звено в своя сегмент от веригата.
Разбира се, има много други опции за прилагане на отклонение, при което се използва RS-485 конвертор и други елементи, но във всеки случай, когато поставяте вериги за отклонение, трябва да вземете предвид, че възелът, който ще го осигури периодично ще се изключва или дори в крайна сметка може да бъде напълно премахнат от мрежата.
Ако има отклонение, тогава потенциалът на напълно празен ход на верига А е положителен по отношение на верига В, което е ориентир, ако ново устройство ще бъде свързано към кабел без маркировки на проводници.
Изпълнението на горните препоръки ви позволява да постигнете нормално предаване на електрически сигнали до различни точки в мрежата, ако протоколът RS-485 се използва като основа. Ако поне някои от изискванията не са изпълнени, ще възникне изкривяване на сигнала. Най -забележимите изкривявания започват да се появяват, когато скоростта на обмен на данни надвишава 1 Mbit / s, но всъщност дори в случай на по -ниски скорости е силно обезкуражено да се пренебрегват тези препоръки, дори ако мрежата „работи нормално“.
Има няколко важни точки, които трябва да имате предвид при програмирането на различни приложения, които работят с устройства, използващи RS-485 сплитер и други устройства с този интерфейс. Нека ги изброим:
Този интерфейс предвижда възможност за комбиниране на устройства във "шинен" формат, когато всички устройства са свързани с една двойка проводници. В този случай комуникационната линия трябва да бъде съпоставена с крайните резистори на двата края.
За да се осигури съвпадение, в този случай се монтират резистори с съпротивление 620 ома. Те винаги се инсталират на първото и последното устройство, свързано към линията. В по-голямата част от съвременните устройства има и вградено съвпадащо съпротивление, което при необходимост може да бъде включено в линията чрез инсталиране на специален джъмпер на платката на устройството.
Тъй като джъмперите първоначално са инсталирани в състояние на доставка, първо трябва да ги премахнете от всички устройства, съответно, с изключение на първото и последното свързано към линията. В преобразувателните преобразуватели на модела S2000-PI за всеки отделен изход съответното съпротивление се включва с превключвател, докато устройствата S2000-KS и S2000-K се характеризират с вградено съвпадащо съпротивление, в резултат на което има не е необходим джъмпер, за да го свържете.
За да се осигури по-дълга комуникационна линия, се препоръчва използването на специализирани повторители-повторители, оборудвани с напълно автоматично превключване на посоката на предаване.
Всички кранове в линията RS-485 са нежелателни, тъй като в този случай има доста силно изкривяване на сигнала, но от практическа гледна точка те могат да бъдат толерирани, ако има кратка дължина на крана. В този случай не е необходимо да инсталирате терминални резистори на отделни клони.
В разпределителна система RS-485, която се управлява от конзолата, ако последното и устройствата са свързани към една и съща линия, но захранвани от различни източници, ще е необходимо да се комбинират 0 V вериги на всички устройства и конзолата за да се осигури тяхното потенциално изравняване. Ако това изискване не е изпълнено, тогава дистанционното управление може да има нестабилна връзка с устройства. Ако трябва да се използва кабел с няколко усукани двойки проводници, тогава може да се използва напълно свободна двойка за веригата за изравняване на потенциала, ако е необходимо. Освен всичко друго, също е възможно да се използва екранирана усукана двойка, ако щитът не е заземен.
В по -голямата част токът, който преминава през проводника за изравняване на потенциала, е доста малък, но ако 0 V устройства или самите захранвания са свързани към няколко локални заземяващи шини, потенциалната разлика между различните 0 V вериги може да бъде няколко единици , а в някои случаи дори десетки волта, докато токът, протичащ през веригата за изравняване на потенциала, може да бъде доста значителен. Това е често срещана причина, че има нестабилна връзка между дистанционното управление и устройствата, в резултат на което те дори могат да се провалят.
Поради тази причина е необходимо да се изключи възможността за заземяване на 0 V верига или, максимум, да се заземи тази верига в определена точка. Трябва също да обмислите възможността за взаимовръзка между 0 V и защитната заземителна верига, която присъства в оборудването, което се използва в алармената система.
При обекти, които се характеризират с доста тежка електромагнитна среда, е възможно тази мрежа да се свърже чрез кабел "екранирана усукана двойка". В този случай може да има по -къс диапазон, тъй като капацитетът на кабела е по -висок.
За промишлени приложения, безжични линии за данниникога не може да бъде заменен напълно кабелен... Сред последните все още е най -разпространеният и надежден сериен интерфейс
Rs
-485
... И производителят на най -защитените от външни влияния и различни по конфигурация и степен на интеграция на трансивъри за него, от своя страна, остава компаниятаМаксим
Интегриран
.
Въпреки нарастващата популярност на безжичните мрежи, най -надеждната и стабилна комуникация, особено при тежки условия на работа, се осигурява от кабелни. Добре проектираните кабелни мрежи позволяват ефективна комуникация в промишлени приложения и промишлени системи за управление, като същевременно гарантират устойчивост на смущения, електростатичен разряд и пренапрежения. Отличителните черти на интерфейса RS-485 доведоха до широкото му използване в индустрията.
Трансивърът RS-485 е най-често срещаният интерфейс на физически слой за серийни мрежи за данни за тежки промишлени и сградни приложения за управление. Този стандарт за сериен интерфейс позволява високоскоростна комуникация на относително голямо разстояние по една единствена диференциална линия (усукана двойка). Основният проблем при използването на RS-485 в промишлеността и в автоматизираните системи за управление на сгради е, че електрическите преходни процеси, произтичащи от бързо превключване на индуктивни товари, електростатични разряди, както и пренапрежения, действащи върху мрежите на автоматизираните системи за управление, могат да изкривят предаваните данни или да доведат до техния неуспех.
В момента има няколко типа интерфейси за пренос на данни, всеки от които е предназначен за специфични приложения, като се отчита необходимия набор от параметри и структура на протокола. Серийните интерфейси включват CAN, RS-232, RS-485 / RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI и SMBus, но RS-485 и RS-422 все още са най-надеждни, особено при тежки експлоатационни условия. условия.
Интерфейсите RS-485 и RS-422 са сходни в много отношения, но имат някои съществени разлики, които трябва да се имат предвид при проектирането на системи за предаване на данни. В съответствие със стандарта TIA / EIA-422, интерфейсът RS-422 е специфициран за промишлени приложения с един главен шина за данни, към който могат да бъдат свързани до 10 подчинени устройства (Фигура 1). Той осигурява предаване със скорост до 10 Mbps, използвайки кабел с усукана двойка, което подобрява устойчивостта на шум и постига възможно най -високия обхват и скорост на предаване на данни. Типичните приложения на RS-422 са автоматизация на промишлени процеси (химическо производство, преработка на храни, хартиени фабрики), интегрирана автоматизация на производството (автомобилна и металообработваща промишленост), системи за ОВК, системи за сигурност, управление на двигателя и контрол на движението на обекти.
RS-485 осигурява по-голяма гъвкавост, като позволява множество мастери на обща шина и увеличава максималния брой устройства в шината от 10 на 32. Според стандарта TIA / EIA-485, RS-485 има по-широко общомодово напрежение диапазон (-7 ... 12 V вместо ± 7 V) и малко по-малък диапазон на диференциално напрежение (± 1,5 V вместо ± 2 V), което осигурява достатъчно ниво на приемния сигнал при максимално натоварване на линията. Използвайки разширените възможности на многокапващата шина за данни, можете да създавате мрежи от устройства, свързани към един единствен сериен порт RS-485. Поради високата си устойчивост на шум и възможността за многократно падане, RS-485 е най-добрият сериен интерфейс за използване в промишлени разпределени системи, свързани към програмируем логически контролер (PLC), графичен контролер (HMI) или други контролери за събиране на данни. Тъй като RS-485 е разширена версия на RS-422, всички устройства RS-422 могат да бъдат свързани към шина, управлявана от RS-485 майстор. Типичните приложения за RS-485 са подобни на изброените по-горе за RS-422, като по-честата употреба на RS-485 се дължи на разширените му възможности.
Стандартът TIA / EIA-485 позволява използването на RS-485 на разстояние до 1200 м. При по-къси разстояния скоростта на предаване на данни е повече от 40 Mbps. Използването на диференциален сигнал осигурява на интерфейса RS-485 по-дълъг обхват, но скоростта на предаване намалява с увеличаване на дължината на линията. Скоростта на обмен също се влияе от площта на напречното сечение на линейните проводници и броя на свързаните към него устройства. Препоръчително е да използвате приемо-предаватели RS-485 с вградена функция за високочестотна корекция, като MAX3291, ако трябва едновременно да получите дълъг обхват и висока скорост на пренос на данни. Интерфейсът RS-485 може да се използва в полудуплексен режим, като се използва една усукана двойка проводници или в пълен дуплексен режим с едновременно предаване и приемане на данни, което се осигурява с помощта на две усукани двойки (четири проводника). В конфигурация с много капки в режим на полудуплекс, RS-485 може да поддържа до 32 предавателя и до 32 приемника. Въпреки това, интегралните схеми на трансивъра от ново поколение имат по -висок входен импеданс, което може да намали натоварването на линията на приемника от 1/4 до 1/8 от стандартната стойност. Например, с помощта на трансивъра MAX13448E, броят на приемниците, свързани към шината RS-485, може да се увеличи до 256. С подобрения многокапелен интерфейс RS-485 можете да свържете множество устройства, свързани към един и същ сериен порт, както е показано на фигура 2.
Чувствителността на приемника е ± 200 mV. Следователно, за да се разпознае един бит данни, нивата на сигнала в точката на свързване на приемника трябва да бъдат по -големи от +200 mV за нула и по -малко от -200 mV за единица (Фигура 3). В този случай приемникът ще потиска смущенията, чието ниво е в диапазона ± 200 mV. Диференциалната линия също осигурява ефективно отхвърляне на общ режим. Минималният входен импеданс на приемника е 12 kΩ, изходното напрежение на предавателя е в диапазона ± 1,5 ... ± 5 V.
Проектантите на промишлени системи са изправени пред огромните предизвикателства да осигурят надеждна работа в електромагнитна среда, която може да повреди оборудването или да наруши цифровите системи за предаване на данни. Един пример за такива системи е автоматичното управление на технологично оборудване в автоматизирано промишлено предприятие. Контролерът, който контролира процеса, измерва неговите параметри, както и параметрите на околната среда и предава команди към изпълнителни устройства или генерира аварийни известия. Индустриалните контролери обикновено са микропроцесорни устройства, чиято архитектура е оптимизирана за решаване на проблемите на дадено индустриално предприятие. Линиите за данни от точка до точка в такива системи са обект на силни електромагнитни смущения от околната среда.
Индустриалните DC / DC преобразуватели работят с високи входни напрежения и осигуряват изолирани напрежения от входа за захранване на товара. За захранване на устройства с разпределена система, които нямат собствено захранване, се използват напрежения 24 или 48 V DC. Натоварването на клемите се захранва с 12 или 5 V, получено чрез преобразуване на входното напрежение. Системите, които комуникират с дистанционни сензори или задвижващи механизми, изискват защита срещу преходни процеси, електромагнитни смущения и разлики в потенциала на земята.
Много компании, като Maxim Integrated, полагат големи усилия, за да гарантират, че интегралните схеми за промишлени приложения са много надеждни и устойчиви на тежки електромагнитни среди. Приемопредавателите RS-485 на Maxim имат вграден ESD и защита от пренапрежение с високо напрежение и могат да се сменят горещо без загуба на данни по линията.
Електростатичен разряд (ESD) възниква, когато два противоположно заредени материала влизат в контакт, като по този начин се прехвърлят статични заряди и се образува искрен разряд. ESD често възниква, когато хората влизат в контакт с предмети около тях. Искровите разряди, произтичащи от небрежно боравене с полупроводникови устройства, могат значително да влошат техните характеристики или да доведат до пълно разрушаване на полупроводниковата структура. ESD може да възникне например при смяна на кабел или просто докосване на I / O порт и да причини деактивиране на порта поради повреда на една или повече интерфейсни микросхеми (Фигура 4).
Такива злополуки могат да доведат до значителни загуби, тъй като те увеличават цената на гаранционните ремонти и се възприемат от потребителите като следствие. Ниско качествопродукт. В индустриалното производство ОУР е сериозен проблем с потенциала да причинява милиарди долари загуби годишно. В реални условия ESD може да доведе до повреда на отделни компоненти, а понякога и на цялата система. Външни диоди могат да се използват за защита на интерфейси за данни, но някои интерфейсни интегрални схеми съдържат вградени компоненти за защита от ESD и не изискват допълнителни външни защитни вериги. Фигура 5 показва опростена функционална схема на типична вградена ESD защитна верига. Импулсите на сигналната линия са ограничени от диодна защита при захранващото напрежение V CC и земята, като по този начин предпазват вътрешността на веригата от повреда. Произведените в момента интерфейсни чипове и аналогови превключватели с вградена ESD защита са главно съвместими с IEC 61000-4-2.
Maxim Integrated инвестира сериозно в дизайна на IC с надеждна, вградена ESD защита и понастоящем е лидер в приемниците от RS-232 до RS-485. Тези устройства издържат тестови импулси IEC 61000-4-2 и JEDEC JS-001 ESD директно върху I / O портовете. ESD решенията на Maxim са надеждни, достъпни, нямат допълнителни външни компоненти и са по -евтини от повечето аналози. Всички интерфейсни микросхеми, произведени от тази компания, съдържат вградени елементи, които осигуряват защита на всеки изход от ESD, възникнал по време на производството и експлоатацията. Семейството трансивери MAX3483AE / MAX3485AE защитават изходите на предавателя и приемника от импулси на високо напрежение до ± 20 kV. В същото време се поддържа нормалният режим на работа на продуктите, няма нужда да изключвате и включвате отново захранването. В допълнение, вградените ESD защити осигуряват включване / изключване на захранването и работа в режим на готовност с ниска мощност.
В промишлените приложения входовете и изходите на драйверите на RS-485 са склонни към повреди поради пренапрежение. Параметрите на пренапрежение са различни от ESD - докато продължителността на ESD обикновено е в диапазона до 100 ns, продължителността на пренапреженията може да бъде 200 μs или повече. Пренапреженията могат да бъдат причинени от грешки в окабеляването, лоши връзки, повредени или дефектни кабели и капчици от спойка, които могат да образуват проводима връзка между захранващи и сигнални линии на печатна платка или конектор. Тъй като промишлените енергийни системи използват напрежения над 24 V, излагането на стандартни RS-485 приемо-предаватели без защита от пренапрежение на такива напрежения ще ги повреди в рамките на минути или дори секунди. За да се предпазят от пренапрежение, конвенционалните интерфейсни чипове RS-485 изискват скъпи външни устройства, базирани на дискретни компоненти. Приемо-предавателите RS-485 с вградена защита от пренапрежение могат да обработват до ± 40, ± 60 и ± 80 V. Общомодов шум от линия за данни. Maxim произвежда линия от предаватели RS-485 / RS-422 MAX13442E ... MAX13444E, които издържа DC входно напрежение и изходи до ± 80 V по отношение на масата. Функциите за сигурност работят независимо от текущото състояние на чипа - включено, изключено или в режим на готовност - което прави тези трансивери най -надеждните в индустрията, идеални за промишлени приложения. Трансиверите на Максим преживяват пренапрежения, причинени от късо захранване и сигнални линии, грешки в окабеляването, неправилни щепселни връзки, дефектни кабели и неправилна употреба.
Важна характеристика на интерфейсните микросхеми RS-485 е имунитетът на приемниците към неопределени състояния на линията, което гарантира настройката на високо логическо ниво на изхода на приемника, когато входовете са отворени или затворени, както и когато всички предаватели, свързани към линия отидете в неактивен режим (високо импедансно състояние на изходите). Проблемът с правилното възприемане от приемника на сигнали от затворена линия за данни се решава чрез изместване на праговете на входния сигнал към отрицателни напрежения от -50 и -200 mV. Ако входното диференциално напрежение на приемника V A - V B е по -голямо или равно на -50 mV, изходът R 0 се настройва на високо ниво. Ако V A - V B е по -малко или равно на -200 mV, изходът R 0 се настройва на ниско ниво. Когато всички предаватели преминат в неактивно състояние и има прекъсване по линията, диференциалното входно напрежение на приемника е близо до нула, в резултат на което изходът на приемника се повишава. В този случай границата на шумозащита на входа е 50 mV. За разлика от приемо -предавателите от предишно поколение, праговете -50 и -200 mV съответстват на стойностите ± 200 mV, определени от стандарта EIA / TIA -485.
