RS-485 (zalecany standard 485 lub EIA/TIA-485-A) jest zalecanym standardem transmisji danych przez dwuprzewodowe, półdupleksowe, wielopunktowe, szeregowe, symetryczne łącze komunikacyjne. Wspólne stowarzyszenia rozwojowe: Electronic Industries Alliance (EIA) i Telecommunication Industry Association (TIA). Norma opisuje tylko fizyczne warstwy sygnalizacji (tj. tylko pierwszą warstwę modelu połączeń systemów otwartych OSI). Norma nie opisuje modelu programu wymiany i protokołów wymiany. RS-485 powstał w celu rozszerzenia fizycznych możliwości interfejsu RS232 o przesyłanie danych binarnych.
Nazwa: Zalecany standard 485
Charakterystyka elektryczna generatorów i odbiorników do stosowania w zrównoważonych systemach wielopunktowych
Charakterystyki elektryczne generatorów i odbiorników do zastosowania w zrównoważonych układach wielopunktowych.
Deweloper: Stowarzyszenie Przemysłu Elektronicznego (EIA). Stowarzyszenie Elektroniki Przemysłowej.
Edycje standardu:
RS-485A (zalecana wersja standardowa 485: A) rok wydania 1983.
EIA 485-A rok wydania 1986.
TIA/EIA 485-A rok wydania 1998.
TIA/EIA 485-A rok rewizji 2003.
ISO/IEC 8482 (1993 aktorstwo)
Wydawca: ISO, IEC
Nazwa: Informatyka - Telekomunikacja i wymiana informacji pomiędzy Systemami - Połączenia wielopunktowe typu skrętka.
Stare wydania:
ISO 8284 (1987 nieaktywny)
ITU-T v.11 (1996 aktorstwo)
Wydawca: MIĘDZYNARODOWY UNIA TELEKOMUNIKACJI
Nazwa: Charakterystyki elektryczne dla symetrycznych dwuprądowych obwodów wymiany pracujących z szybkością transmisji danych do 10 Mbit/s.
Stare wydania:
ITU-T v.11 (1993 nieaktywny)
CCITT w.11 (1988 nieaktywny)
ANSI/TIA-485-A (1998 aktorstwo)
Wydawca: American National Standards Institute, ANSI
Nazwa: Charakterystyka elektryczna generatorów i odbiorników do stosowania w zrównoważonych cyfrowych systemach wielopunktowych.
Dwukierunkowa transmisja danych w trybie półdupleksowym. Szeregowy strumień danych przesyłany jest jednocześnie tylko w jednym kierunku, transmisja danych w drugim kierunku wymaga przełączenia transceivera. Transceivery są zwykle nazywane „sterownikami” (sterownikami), jest to urządzenie lub obwód elektryczny, który generuje fizyczny sygnał po stronie nadajnika.
Symetryczny kanał komunikacyjny. Do odbioru/transmisji danych używane są dwa równoważne przewody sygnałowe. Przewody są oznaczone literami łacińskimi „A” i „B”. Te dwa przewody przenoszą szeregową wymianę danych w obu kierunkach (naprzemiennie). W przypadku stosowania skrętki zbalansowany kanał znacznie zwiększa odporność sygnału na zakłócenia w trybie wspólnym i dobrze tłumi promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez sygnał użyteczny.
Różnicowa (zrównoważona metoda przesyłania danych). Przy tej metodzie transmisji danych, różnica potencjałów zmienia się na wyjściu transceivera, gdy transmitowana jest „1”, różnica potencjałów między AB jest dodatnia, gdy transmitowana jest „0”, różnica potencjałów między AB jest ujemna. Oznacza to, że prąd między stykami A i B przy przesyłaniu „0” i „1” płynie (równoważy) w przeciwnych kierunkach.
Wielopunktowy. Umożliwia wielokrotne podłączenie odbiorników i nadajników-odbiorników do jednej linii komunikacyjnej. W takim przypadku dozwolone jest podłączenie do linii tylko jednego nadajnika w danym momencie, a wielu odbiorników, pozostałe nadajniki muszą czekać na zwolnienie linii komunikacyjnej do transmisji danych.
Wyjście nadajnika o niskiej impedancji. Wzmacniacz nadawczo-buforowy posiada wyjście o niskiej impedancji, co umożliwia przesyłanie sygnału do wielu odbiorników. Standardowa obciążalność nadajnika to 32 odbiorniki na nadajnik. Ponadto sygnał prądowy jest wykorzystywany do obsługi „skrętki” (im większy prąd roboczy „skrętki”, tym bardziej tłumi zakłócenia w trybie wspólnym na linii komunikacyjnej).
Martwa strefa. Jeżeli poziom sygnału różnicowego między stykami AB nie przekracza ±200mV, to uważa się, że w linii nie ma sygnału. Zwiększa to odporność na zakłócenia transmisji danych.
Dopuszczalna liczba nadajników-odbiorników (sterowników) 32
Maksymalna długość łącza 1200m (4000ft)
Maksymalna szybkość transferu 10 Mb/s
Minimalna moc wyjściowa sterownika ±1,5 V
Maksymalna moc wyjściowa sterownika ±5 V
Maksymalny prąd zwarciowy sterownika 250 mA
Impedancja wyjściowa sterownika 54 ohm
Impedancja wejściowa sterownika 12 kΩ
Dopuszczalna całkowita impedancja wejściowa 375 Ohm
Zakres martwy sygnału ±200 mV
Poziom jednostki logicznej (Uab) >+200 mV
Logiczny poziom zerowy (Uab) ←200 mV
Impedancja wejściowa niektórych odbiorników może przekraczać 12 kΩ (pojedyncze obciążenie). Np. 48 kOhm (1/4 pojedynczego obciążenia) lub 96 kOhm (1/8), co pozwala zwiększyć ilość odbiorników do 128 lub 256. Przy różnych impedancjach wejściowych odbiorników konieczne jest, aby całkowita impedancja wejściowa jest nie mniejsza niż 375 Ohm.
Ponieważ standard RS-485 opisuje tylko fizyczną warstwę procedury wymiany danych, wszystkie problemy wymiany, synchronizacji i handshakingu są przypisane do wyższego protokołu wymiany. Jak powiedzieliśmy, najczęściej jest to standard RS-232 lub inne wyższe protokoły (ModBus, DCON itp.).
Sam RS-485 wykonuje tylko następujące czynności:
Konwertuje przychodzącą sekwencję „1” i „0” na sygnał różnicowy.
Przesyła sygnał różnicowy do zbalansowanej linii komunikacyjnej.
Włącza lub wyłącza nadajnik sterownika na wyższym sygnale protokołu.
Odbiera sygnał różnicowy z linii komunikacyjnej.
Jeśli podłączysz oscyloskop do kontakty A-B(RS-485) i GND-TDx(RS-232) to nie zauważysz różnicy w kształcie sygnałów przesyłanych liniami komunikacyjnymi. W rzeczywistości przebieg RS-485 całkowicie powtarza przebieg RS-232, z wyjątkiem inwersji (w RS-232 jednostka logiczna jest przesyłana z napięciem -12 V, a w RS-485 +5 V).
Rys.1 Postać sygnałów RS-232 i RS-485 przy transmisji dwóch znaków „0” i „0”.
Jak widać na rys. 1, mamy do czynienia z prostą konwersją poziomów sygnału przez napięcie.
Wprawdzie kształt sygnałów jest taki sam dla powyższych standardów, ale sposób ich formowania i moc sygnałów są inne.
Rys.2 Tworzenie sygnałów RS-485 i RS-232
Konwersja poziomów sygnałów i nowy sposób ich tworzenia pozwoliły rozwiązać szereg problemów, które nie zostały wzięte pod uwagę przy tworzeniu standardu RS-232.
Zalety fizycznego sygnału RS-485 nad sygnałem RS-232
Zastosowano jednobiegunowy zasilacz +5 V, który służy do zasilania większości urządzeń elektronicznych i mikroukładów. Upraszcza to projekt i ułatwia dopasowanie urządzeń.
Siła sygnału nadajnika RS-485 jest 10 razy większa niż siła sygnału nadajnika RS-232. Pozwala to podłączyć do 32 odbiorników do jednego nadajnika RS-485 i tym samym transmitować dane.
Zastosowanie sygnałów symetrycznych, które posiadają izolację galwaniczną przy zerowym potencjale sieci zasilającej. W rezultacie zakłócenia są wykluczone z neutralnego przewodu zasilającego (jak w RS-232). Biorąc pod uwagę możliwość pracy nadajnika przy obciążeniu o niskiej impedancji, możliwe staje się wykorzystanie efektu tłumienia zakłóceń w trybie wspólnym, wykorzystując właściwości „skręconej pary”. To znacznie zwiększa zasięg komunikacji. Dodatkowo możliwe staje się podłączenie „na gorąco” urządzenia do linii komunikacyjnej (choć nie przewiduje tego standard RS-485). Należy pamiętać, że w przypadku połączenia RS-232 „na gorąco” zwykle dochodzi do awarii portu COM komputera.
Każdy transceiver (sterownik) RS-485 może znajdować się w jednym z dwóch stanów: nadawanie lub odbieranie danych. Przełączanie sterownika RS-485 następuje za pomocą specjalnego sygnału. Na przykład rysunek 3 przedstawia wymianę danych za pomocą konwertera AC3 firmy Aries. Tryb przetwornika przełączany jest sygnałem RTS. Jeżeli RTS=1 (Prawda) AC3 przesyła dane, które do niego przychodzą z portu COM do sieci RS-485. W takim przypadku wszystkie inne sterowniki muszą być w trybie odbioru (RTS=0). Zasadniczo RS-485 jest dwukierunkowym wzmacniaczem multipleksowanym z buforem dla sygnałów RS-232.
Rys.3 Przykład wykorzystania konwertera Aries AC3.
Sytuacja, gdy w trybie nadajnika będzie pracował więcej niż jeden sterownik RS-485, prowadzi do utraty danych. Ta sytuacja nazywana jest „kolizją”. Aby uniknąć kolizji w kanałach wymiany danych, konieczne jest stosowanie wyższych protokołów (OSI). Takie jak MODBUS, DCON, DH485 itp. Lub programy, które bezpośrednio współpracują z RS-232 i rozwiązują problemy z kolizjami. Protokoły te są powszechnie nazywane protokołami 485. Chociaż w rzeczywistości podstawą sprzętową wszystkich tych protokołów jest oczywiście RS-232. Zapewnia sprzętowe przetwarzanie całego przepływu informacji. Programowe przetwarzanie strumienia danych i rozwiązywanie problemów z kolizjami są obsługiwane przez protokoły wyższego poziomu (Modbus itp.) i oprogramowanie.
Rzućmy okiem na te protokoły, chociaż nie są one związane ze standardem RS-485. Zazwyczaj protokół wyższej warstwy obejmuje organizację wymiany pakietów, ramek lub ramek. Oznacza to, że informacje są przesyłane w logicznie wypełnionych częściach. Każda ramka jest koniecznie oznaczona, tj. jego początek i koniec są oznaczone znakami specjalnymi. Każda ramka zawiera adres urządzenia, polecenie, dane, sumę kontrolną, które są niezbędne do zorganizowania wymiany wielopunktowej. Aby uniknąć kolizji, zwykle stosuje się schemat „wiodący” (master) - „slave” (slave). „Master” ma prawo samodzielnie przełączyć swój sterownik RS-485 w tryb nadawania, pozostałe sterowniki RS-485 pracują w trybie odbioru i nazywane są „slave”. Aby „slave” zaczął przesyłać dane na linię komunikacyjną, „master” wysyła mu specjalne polecenie, które daje urządzeniu o podanym adresie prawo do przełączenia swojego sterownika w tryb transmisji na określony czas.
Po wysłaniu polecenia włączenia do „slave”, „master” wyłącza nadajnik i czeka na odpowiedź „slave” przez okres czasu zwany „timeout”. Jeśli w czasie oczekiwania odpowiedź od „slave” nie zostanie odebrana, „lider” ponownie zajmuje linię komunikacyjną. „Liderem” jest zwykle program zainstalowany na komputerze. Istnieje również bardziej złożona organizacja protokołów pakietowych, która pozwala cyklicznie zdradzać rolę „mastera” od urządzenia do urządzenia. Zwykle takie urządzenia nazywane są „liderami” lub mówią, że urządzenia przesyłają „znacznik”. Posiadanie „znacznika” sprawia, że urządzenie „prowadzi”, ale będzie musiało je przenieść do innego urządzenia sieciowego według określonego algorytmu. Zasadniczo powyższe protokoły różnią się tymi algorytmami.
Jak widać, górne protokoły mają organizację pakietową i są realizowane na poziomie oprogramowania, pozwalają rozwiązać problem „kolizji” danych i wielopunktowej organizacji wymiany danych.
Wiele firm produkuje transceivery RS485. Zwykle nazywane są konwerterami RS232 - RS485 lub konwerterami RS232-RS485. Aby wdrożyć te urządzenia, produkowane są specjalne mikroukłady. Rola tych mikroukładów sprowadza się do konwersji poziomów sygnałów RS232C na poziom sygnałów RS485 (TTL/CMOS) i odwrotnie, a także zapewnienia pracy w trybie półdupleksowym.
Zgodnie ze sposobem przejścia w tryb transmisji rozróżnia się urządzenia:
Przełączanie z oddzielnym sygnałem. Aby przełączyć się w tryb transmisji należy ustawić aktywny sygnał na osobnym wejściu. Zwykle jest to sygnał RST (port COM). Te nadajniki-odbiorniki są obecnie rzadkie. Niemniej jednak czasami nie są one wymienne. Załóżmy, że musisz słuchać wymiany danych między kontrolerami urządzeń przemysłowych. Jednocześnie twój transceiver nie powinien przechodzić w tryb transmisji, aby nie tworzyć kolizji w tej sieci. Korzystanie z transceivera z automatyczne przełączanie nie jest tutaj dozwolone. Przykładem takiego konwertera jest Aries AC3.
Z automatycznym przełączaniem i bez sprawdzania stanu linii. Najpopularniejsze konwertery, które przełączają się automatycznie, gdy na ich wejściu pojawi się sygnał informacyjny. Nie kontrolują jednak zajętości linii komunikacyjnej. Konwertery te wymagają ostrożnego użytkowania ze względu na wysoki potencjał kolizji. Przykładowy konwerter Aries AC3M.
Z automatycznym przełączaniem i kontrolą stanu linii. Najbardziej zaawansowane konwertery, które mogą przesyłać dane do sieci tylko wtedy, gdy sieć nie jest zajęta innymi transceiverami i na wejściu jest sygnał informacyjny.
Rys.4 Schemat ideowy AC3 Baran.
Rysunek 4 przedstawia schemat ideowy konwertera AC3 Aries. Ten konwerter posiada osobny sygnał umożliwiający tryb transmisji danych. Jako sygnał sterujący wykorzystywany jest sygnał wyjściowy portu COM RST. Jeśli RST=1 (+12V) konwerter przesyła dane z portu TD(COM) do sieci RS485, jeśli RST=0(-12V) to dane są odbierane z sieci RS-485 na wejście RD(port COM). Przetwornica pracuje z przemysłowej sieci prądu przemiennego o napięciu 220 woltów. Zasilacz konwertera jest wykonany zgodnie z obwodem impulsowym opartym na mikroukładzie TOR232N (DA1). Zasilacz dostarcza dwa niezależne napięcia +5V. Układ MAX232N (DD1) służy do odbioru i konwersji polarnych sygnałów RS232 (±12 V) na unipolarne sygnały TTL/CMOS (+5 V). Ten mikroukład jest interesujący, ponieważ jest zasilany jednobiegunowym napięciem +5 V i ma wbudowane źródła napięcia, które są niezbędne do pracy z sygnałami biegunowymi ±12 V. Do prawidłowego działania wbudowanych źródeł napięcia zewnętrzne kondensatory C14, C15, C17, C18 są podłączone do układu MAX232N. Ponadto mikroukład ma dwa konwertery poziomu sygnału RS-232C na TTL / CMOS w obu kierunkach.
Cel sygnałów:
RST - przełączenie konwertera w tryb nadawania/odbioru
TD - transfer danych z RS232 na RS485
RD - odbiór danych w RS232 z RS485
Ponadto sygnały RS232 przekonwertowane na poziom TTL/CMOS są podawane do transoptorów 6N137, które zapewniają izolację galwaniczną sygnałów RS232 i RS485. Do nadawania/odbierania danych po stronie interfejsu RS485 używany jest układ DS75176 (transceiver wielopunktowy RS485). Ten mikroukład jest zasilany z oddzielnego źródła +5 V. Mikroukład jest wzmacniaczem sygnału poziomu TTL / COMOS z przełączaniem kierunku transferu. Wyjścia DS75176 są podłączone do pinów A i B za pomocą rezystancji 100 omów, co zapewnia prąd zwarciowy A-B o wartości 250 mA. Moc sygnału RS485 jest około 10 razy większa niż sygnału RS232. Ten mikroukład wzmacnia sygnał do pożądanej mocy i zapewnia pracę w trybie półdupleksowym.
Sieć RS-485 zbudowana jest na schemacie magistrali szeregowej (magistrali), tj. urządzenia w sieci są połączone szeregowo przewodami symetrycznymi. W takim przypadku końce linii komunikacyjnych muszą być obciążone terminatorami - „terminatorami”, których wartość musi być równa rezystancji falowej kabla komunikacyjnego.
Terminatory pełnią następujące funkcje:
Zmniejsz odbicie sygnału od końca linii komunikacyjnej.
Zapewnij wystarczający prąd przez całą linię komunikacyjną, aby stłumić szumy trybu wspólnego za pomocą skrętki dwużyłowej.
Jeśli odległość segmentu sieci przekracza 1200 m lub liczba sterowników w segmencie jest większa niż 32, do utworzenia kolejnego segmentu sieci należy użyć repeatera. W takim przypadku każdy segment sieci musi być podłączony do terminatorów. W tym przypadku segment sieci jest uważany za kabel pomiędzy urządzeniem brzegowym a repeaterem lub pomiędzy dwoma repeaterami.
Standard RS-485 nie precyzuje, jaki rodzaj kabla symetrycznego należy zastosować, ale de facto stosuje się skrętkę dwużyłową o impedancji charakterystycznej 120 omów.
Rysunek 6 Przemysłowy kabel Belden 3106A do sieci RS485
Do układania sieci RS485 zaleca się stosowanie kabla przemysłowego Belden3106A. Kabel ten ma charakterystyczną impedancję 120 omów i ekran z podwójną skrętką. Kabel Belden3106A zawiera 4 przewody. Przewody pomarańczowy i biały to symetryczna skrętka ekranowana. Niebieski przewód kabla służy do podłączenia zasilaczy o zerowym potencjale urządzeń w sieci i nazywa się „wspólny” (wspólny). Drut bez izolacji służy do uziemienia powłoki kabla i jest nazywany „drenażem” (Drain). W segmencie sieci przewód uziemiający jest uziemiony przez rezystancję na obudowie urządzenia, z jednego końca segmentu, aby zapobiec przepływowi prądów błądzących przez osłonę kabla, przy różnych potencjałach uziemienia w odległych punktach.
Zazwyczaj terminator i rezystancja uziemienia ochronnego znajdują się wewnątrz urządzenia. Musisz je poprawnie połączyć za pomocą zworek lub przełączników. Opis tych połączeń można znaleźć w dokumentacji technicznej producenta urządzenia.
Rysunek 7 Schemat połączeń 1747-AIC (Allen Bradley)
Rysunek 7 przedstawia połączenia kablowe z urządzeniami pośrednimi segmentu sieci. W przypadku pierwszego przyrządu w segmencie sieci DH-485 należy zainstalować zworkę 5-6 (łączy ona terminator 120 omów, który znajduje się wewnątrz przyrządu 1747-AIC) oraz zworkę 1-2 (łączy przewód odprowadzający z obudową przyrządu poprzez opór wewnętrzny). Dla ostatniego urządzenia w segmencie sieci wystarczy założyć zworkę 5-6 (podłączyć terminator)
W przypadku stosowania innych kabli zbalansowanych, zwłaszcza gdy nie jest znana ich impedancja charakterystyczna, wielkość terminatorów dobierana jest empirycznie. Aby to zrobić, musisz zainstalować oscyloskop na środku segmentu sieci. Kontrolując kształt prostokątnych impulsów przesyłanych przez jeden ze sterowników możemy stwierdzić, że konieczne jest dostosowanie wartości rezystancji terminatora.
Interfejs RS-485 stał się głównym fizycznym interfejsem dla przemysłowych sieci danych. Protokoły takie jak ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 pracują na warstwie fizycznej RS-485.
Protokoły przesyłania danych przemysłowych są często klasyfikowane przez producentów. Informacje o danym protokole komunikacyjnym muszą być zbierane bit po bicie.
Specjalista pracujący z sieciami przemysłowymi potrzebuje programu do odczytywania wszystkich informacji przesyłanych w sieciach informacyjnych. Kluczowe tajemnice protokołów przemysłowych można odkryć tylko dzięki wszechstronnej analizie przesyłanych i odbieranych danych. Program ComRead v.2.0 przeznaczony jest do zapisywania i wyświetlania danych oraz sygnałów serwisowych przesyłanych w sieciach informacyjnych działających w standardzie RS-232, RS-485, Bell-202 itp. Program nie tylko zapisuje wszystkie informacje, ale także tworzy baza czasowa danych i sygnałów serwisowych. Program ComRead v.2.0 skanuje kanał informacyjny bez wpływu na jego działanie, czyli działa w trybie nasłuchiwania fizycznego medium transmisyjnego. Poza tym program może pracować w trybie translatora sygnałów danych i usług. Jednocześnie staje się bezpośrednią częścią kanału komunikacji informacyjnej. Więcej szczegółów na temat programu można znaleźć tutaj.
Możliwość transmisji.
Połączenie wielopunktowe.
Wady RS485
Duże zużycie energii.
Brak sygnałów serwisowych.
Możliwość kolizji.
Standard RS-485 został po raz pierwszy przyjęty przez Electronic Industries Association. Dziś dokonuje przeglądu charakterystyk elektrycznych różnych odbiorników i nadajników stosowanych w zrównoważonych systemach cyfrowych.
Co to za standard?
RS-485 to nazwa dobrze znanego interfejsu, który jest aktywnie wykorzystywany we wszelkiego rodzaju systemach sterowania procesami przemysłowymi w celu łączenia ze sobą niektórych sterowników i wielu innych urządzeń. Główna różnica między tym interfejsem a RS-232 polega na tym, że wiąże się to z łączeniem kilku typów urządzeń jednocześnie. W przypadku korzystania z RS-485, szybka komunikacja między kilkoma urządzeniami jest gwarantowana przez użycie pojedynczej dwuprzewodowej linii komunikacyjnej w trybie half-duplex. Zajmuje się tworzeniem systemów sterowania procesami w nowoczesnym przemyśle.
Zasięg i prędkość
Przy pomocy prezentowanego standardu możliwe jest osiągnięcie transmisji informacji z prędkością do 10 Mb/s. Należy zauważyć, że w tym przypadku maksymalny możliwy zasięg zależy bezpośrednio od szybkości transmisji danych. Należy zauważyć, że aby zapewnić maksymalną prędkość, informacje nie mogą być przesyłane dalej niż 120 metrów. Jednocześnie z prędkością 100 kb/s przesyłane są dane na ponad 1200 metrów.
Liczba podłączonych urządzeń
Liczba urządzeń, które interfejs RS-485 może łączyć bezpośrednio, zależy od tego, które transceivery są w nie zaangażowane. Każdy nadajnik zapewnia specyficzne sterowanie 32 standardowymi odbiornikami. To prawda, należy mieć świadomość, że istnieją odbiorniki o impedancji wejściowej, która różni się o 50%, 25% lub mniej od standardowej. Jeśli korzystasz z tego sprzętu, całkowita liczba urządzeń odpowiednio wzrasta.
Złącza i protokoły
Kabel RS-485 nie jest w stanie standaryzować żadnego określonego formatu ramki informacyjnej ani protokołu komunikacyjnego. Z reguły do translacji wykorzystywane są podobne ramki, jak w przypadku RS-232. Innymi słowy, bity danych, bity stopu i startu oraz bit parzystości, jeśli to konieczne. Jeśli chodzi o działanie protokołów wymiany, to w większości nowoczesnych systemów odbywa się to na zasadzie „master-slave”. Oznacza to, że dane urządzenie w sieci pełni rolę mastera i inicjatora wymiany żądań wysyłania między urządzeniami slave, które różnią się od siebie adresami logicznymi. Najbardziej znanym protokołem jest obecnie Modbus RTU. Należy zauważyć, że kabel RS-485 nie posiada określonego typu złącza ani pinoutu. Innymi słowy, są złącza terminalowe, DB9 i inne.
Połączenie
Często przy użyciu prezentowanego interfejsu spotyka się sieć lokalną, która jednocześnie łączy kilka typów nadajników-odbiorników. Przy wykonywaniu połączenia RS-485 konieczne jest prawidłowe połączenie ze sobą obwodów sygnałowych. Z reguły są one nazywane A i B. Tak więc odwrócenie polaryzacji nie ma się czym martwić, po prostu podłączone urządzenia przestają działać.
Korzystając z interfejsu RS-485 należy uwzględnić pewne cechy jego działania. W związku z tym zalecenia są następujące:
1. Optymalnym medium do transmisji sygnału jest kabel oparty na skrętce.
2. Końce przewodu należy stłumić za pomocą specjalistycznych rezystorów końcowych.
3. Sieć wykorzystująca standard lub USB RS-485 powinna być ułożona bez rozgałęzień w topologii magistrali.
4. Urządzenia należy podłączać do kabla przewodami o możliwie najkrótszej długości.
Koordynacja
Za pomocą terminatorów, standard lub USB RS-485 gwarantuje pełne dopasowanie otwartego końca przewodu z kolejną linią. To całkowicie eliminuje możliwość odbicia sygnału. Nominalna rezystancja rezystorów związana z charakterystyczną impedancją kabla i przewodów opartych na skrętce wynosi z reguły około 100-120 omów. Przykładowo, obecnie znany kabel UTP-5, często wykorzystywany w procesie instalacji Ethernet, ma charakterystyczną impedancję 100 omów.
Jeśli chodzi o inne opcje kabli, można zastosować inną ocenę. W razie potrzeby rezystory można przylutować do styków złącza kabla w urządzeniach końcowych. Rzadko w samym sprzęcie montuje się rezystory, w wyniku czego do podłączenia rezystora konieczne jest założenie zworek. W takim przypadku, gdy urządzenie jest podłączone, linia jest niedopasowana. Aby zapewnić normalne funkcjonowanie reszty systemu, musisz podłączyć pasującą wtyczkę.
Poziomy sygnału
Port RS-485 przyjmuje zrównoważony schemat transmisji danych. Innymi słowy, poziomy napięć w obwodach sygnałowych A i B zmieniają się w przeciwfazie. Za pomocą czujnika zapewniony jest poziom sygnału 1,5 V, biorąc pod uwagę maksymalne obciążenie. Ponadto na biegu jałowym dostarczane jest nie więcej niż 6 V. Poziom napięcia jest mierzony różnicowo. W miejscu lokalizacji odbiornika minimalny poziom odbieranego sygnału musi wynosić co najmniej 200 mV.
Stronniczość
Gdy w obwodach sygnałowych nie jest obserwowany żaden sygnał, stosowane jest niewielkie odchylenie. Zapewnia ochronę odbiornika w przypadku fałszywego alarmu. Eksperci zalecają przesunięcie nieco większe niż 200 mV, ponieważ ta wartość jest uważana za odpowiadającą strefie niepewności sygnału wejściowego zgodnie z normą. W takiej sytuacji obwód A zbliża się do dodatniego bieguna źródła, a obwód B jest podciągany do wspólnego.
Przykład
Na podstawie wymaganego biasu i napięcia zasilania obliczane są wartości rezystorów. Na przykład, jeśli chcesz uzyskać przesunięcie 250 mV z rezystorami końcowymi, RT = 120 omów. Warto zauważyć, że źródło ma napięcie 12 V. Biorąc pod uwagę fakt, że w tym przypadku dwa rezystory są połączone równolegle i w ogóle nie uwzględniają obciążenia z odbiornika, prąd polaryzacji osiąga 0,0042. Jednocześnie całkowita rezystancja obwodu polaryzacji wynosi 2857 omów. Rcm w tym przypadku wyniesie około 1400 omów. Dlatego musisz wybrać najbliższy nominał. Przykładem będzie rezystor 1,5 kΩ. Jest niezbędny do przemieszczenia. Dodatkowo zastosowano zewnętrzny rezystor 12 V.
Należy również zauważyć, że układ posiada izolowane wyjście zasilania sterownika, które jest głównym ogniwem we własnym segmencie obwodu. Co prawda istnieją inne opcje wykonania offsetu, w które zaangażowany jest konwerter RS-485 i inne elementy, należy jednak liczyć się z tym, że węzeł dostarczający offset czasami się wyłączy lub w końcu zostanie całkowicie usunięty z sieci . Gdy występuje przesunięcie, zakłada się, że potencjał obwodu A na pełnym biegu jałowym jest dodatni w stosunku do obwodu B. Działa to jako wskazówka, gdy nowy sprzęt jest podłączany do kabla bez użycia oznaczeń przewodów.
Błędne okablowanie i zniekształcenia
Realizacja wskazanych powyżej zaleceń pozwala na uzyskanie poprawnej transmisji sygnałów elektrycznych do różnych punktów sieci przy wykorzystaniu jako podstawy protokołu RS-485. Jeśli co najmniej jedno z wymagań nie jest spełnione, pojawia się zniekształcenie sygnału. Najbardziej zauważalne zniekształcenia pojawiają się przy kursie wymiany informacji powyżej 1 Mb/s. To prawda, że nawet przy niższych prędkościach nie zaleca się lekceważenia tych wskazówek. Ta zasada obowiązuje również podczas normalnej pracy sieci.
Jak programować?
Programując różne aplikacje współpracujące z urządzeniami wykorzystującymi rozgałęźnik RS-485 oraz innymi urządzeniami z prezentowanym interfejsem należy wziąć pod uwagę kilka ważnych punktów.
Przed rozpoczęciem doręczenia przesyłki konieczne jest aktywowanie nadajnika. Warto zauważyć, że według niektórych źródeł wystawienie może nastąpić od razu po aktywacji. Mimo to niektórzy eksperci zalecają pierwszą pauzę, równą w czasie szybkości transmisji jednej klatki. W takim przypadku poprawny program odbiorczy może mieć czas na pełną identyfikację błędów procesu przejściowego, który jest w stanie przeprowadzić procedurę normalizacji i przygotować się do kolejnego odbioru danych.
Po wydaniu ostatniego bajtu danych należy również zrobić pauzę przed wyłączeniem urządzenia RS-485. Wynika to w pewnym sensie z faktu, że kontroler portu szeregowego często ma dwa rejestry jednocześnie. Pierwsze to wejście równoległe, przeznaczone do odbierania informacji. Drugi jest uważany za wyjście przesuwne, jest używany do celów sekwencyjnego wyjścia.
Podczas przesyłania danych przez kontroler wszelkie przerwania są generowane, gdy rejestr wejściowy jest pusty. Dzieje się tak, gdy informacje zostały już przekazane do rejestru przesuwnego, ale nie zostały jeszcze wydane. Z tego też powodu po zakończeniu nadawania konieczne jest zachowanie pewnej pauzy przed wyłączeniem nadajnika. Powinna być o około 0,5 bita dłuższa niż klatka w czasie. Dokonując dokładniejszych obliczeń, zaleca się bardziej szczegółowe przestudiowanie dokumentacji technicznej używanego kontrolera portu szeregowego.
Możliwe, że nadajnik, odbiornik i konwerter RS-485 są podłączone do wspólnej linii. W ten sposób własny odbiornik również zacznie odbierać transmisję wykonywaną przez własny nadajnik. Często zdarza się, że w systemach charakteryzujących się losowym dostępem do linii funkcja ta jest wykorzystywana przy sprawdzaniu braku kolizji między dwoma nadajnikami.
Konfiguracja formatu magistrali
Prezentowany interfejs posiada możliwość łączenia urządzeń w formacie „bus”, gdy wszystkie urządzenia są połączone jedną parą przewodów. Zapewnia to, że linia komunikacyjna musi koniecznie być dopasowana przez rezystory terminujące na dwóch końcach. Aby to zapewnić, konieczne jest zainstalowanie rezystorów charakteryzujących się rezystancją 620 omów. Montowane są zawsze na pierwszym i ostatnim urządzeniu podłączonym do linii.
Z reguły nowoczesne urządzenia mają wbudowaną rezystancję zakończeniową. W razie potrzeby można go podłączyć do linii, instalując specjalną zworkę na płytce urządzenia. Warto zauważyć, że zworki są najpierw instalowane w stanie fabrycznym, dlatego należy je usunąć ze wszystkich urządzeń oprócz pierwszego i ostatniego. Należy również zauważyć, że w konwerterach repeaterów modelu S2000-PI dla osobnego wyjścia rezystancja dopasowania jest aktywowana za pomocą przełącznika. W przypadku urządzeń S2000-KS i S2000-K, które charakteryzują się wbudowaną rezystancją zakańczania, do ich podłączenia nie jest wymagana zworka. Aby zapewnić długie łącze, pożądane jest stosowanie specjalistycznych repeaterów-repeaterów, które są wstępnie wyposażone w w pełni automatyczne przełączanie kierunku transmisji.
Konfiguracja gwiazdy
Wszystkie ostrogi na linii RS-485 są uważane za niepożądane, ponieważ skutkowałoby to nadmiernymi zniekształceniami sygnału. Chociaż w praktyce można na to zezwolić, gdy istnieje niewielka długość odgałęzienia. Nie wymaga to instalowania terminatorów na poszczególnych gałęziach.
W systemie RS-485, gdzie sterowanie odbywa się za pomocą konsoli, gdy rezystory i urządzenia podłączone są do tej samej linii, ale zasilane z różnych źródeł, konieczne jest połączenie obwodów 0 V wszystkich urządzeń i konsoli w celu osiągnąć wyrównanie swoich potencjałów. Gdy to wymaganie nie jest spełnione, pilot może mieć przerywaną komunikację z urządzeniami. W przypadku stosowania przewodu z kilkoma skręconymi parami, w razie potrzeby w obwodzie wyrównania potencjałów można wykorzystać całkowicie wolną parę. Ponadto możliwe jest użycie ekranowanej skrętki dwużyłowej, jeśli nie ma uziemienia ekranu.
Co należy wziąć pod uwagę?
W większości przypadków prąd płynący przez przewód wyrównujący potencjał jest uważany za dość mały. Jeśli urządzenia 0 V lub same źródła zasilania są podłączone do kilku lokalnych szyn uziemiających, wówczas różnica potencjałów między różnymi obwodami 0 V może osiągnąć kilka jednostek. Czasami wartość ta wynosi kilkadziesiąt woltów, a prąd płynący przez obwód wyrównania potencjału jest dość znaczny. Często jest to przyczyną niestabilnego połączenia między pilotem a urządzeniami. W rezultacie mogą nawet zawieść.
Dlatego konieczne jest wykluczenie możliwości uziemienia obwodu 0 V lub uziemienia tego obwodu w określonym punkcie. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę możliwość istnienia związku pomiędzy 0 V a obwodem ochronnym występującym w sprzęcie zastosowanym w systemie alarmowym. Należy zauważyć, że w obiektach, w których panuje stosunkowo trudne środowisko elektromagnetyczne, możliwe jest podłączenie do tej sieci za pomocą ekranowanej skrętki dwużyłowej. Należy podkreślić, że w tej sytuacji zakres graniczny może być mniejszy, ponieważ pojemność przewodu uważana jest za większą.
Tworzenie cienkich projektów RS-485 jest łatwe, jeśli rozumiesz, jak jednocześnie zachować dobrą jakość komunikacji. Ten artykuł opisuje fakty, mity i złe żarty, o których musisz wiedzieć, aby osiągnąć ten cel.
W systemach automatyki przemysłowej i automatyki budynkowej szereg urządzenia zdalne gromadzenie danych, które przesyłają i odbierają informacje za pośrednictwem centralnego modułu, który zapewnia dostęp do danych użytkownikom i innym procesorom. Rejestratory i czytniki danych są typowe dla takich aplikacji. Niemal idealną linię danych do tego celu określa standard RS-485, który łączy urządzenia akwizycji danych za pomocą skrętki dwużyłowej.
Ponieważ wiele DAQ RS-485 to kompaktowe, samodzielne, zasilane bateryjnie urządzenia, wymagane są środki mające na celu zmniejszenie ich zużycia energii, aby kontrolować rozpraszanie ciepła i wydłużyć żywotność baterii. Podobnie oszczędność energii jest ważna w przypadku urządzeń do noszenia i innych aplikacji, które wykorzystują interfejs RS-485 do pobierania danych do procesora.
Poniższy rozdział jest przeznaczony głównie dla tych, którzy nie są zaznajomieni z RS-485.
RS-485: historia i opis
Standard RS-485 został opracowany wspólnie przez dwa stowarzyszenia producentów: Stowarzyszenie Przemysłu Elektronicznego (EIA) i Stowarzyszenie Przemysłu Telekomunikacyjnego (TIA). EIA kiedyś oznaczyła wszystkie swoje standardy przedrostkiem „RS” (Rekomendowany Standard). Wielu inżynierów nadal używa tego oznaczenia, jednak EIA/TIA oficjalnie zamieniło „RS” na „EIA/TIA”, aby ułatwić identyfikację pochodzenia ich norm. Obecnie różne rozszerzenia standardu RS-485 obejmują szeroką gamę zastosowań.
Standardy RS-485 i RS-422 mają wiele wspólnego i dlatego są często mylone. Tabela 1 je porównuje. RS-485, który definiuje dwukierunkową komunikację półdupleksową, jest jedynym standardem EIA/TIA, który umożliwia wiele odbiorników i sterowników w konfiguracjach magistrali. Z drugiej strony EIA/TIA-422 definiuje jeden jednokierunkowy sterownik z wieloma odbiornikami. Elementy RS-485 są kompatybilne wstecznie i wymienne z ich odpowiednikami RS-422, jednak sterowniki RS-422 nie powinny być stosowane w systemach opartych na RS-485, ponieważ nie mogą zrezygnować z kontroli nad magistralą.
Tabela 1. Standardy RS-485 i RS-422
| RS-422 | RS-485 | |
| Tryb pracy | Mechanizm różnicowy | Mechanizm różnicowy |
| Dozwolona liczba Tx i Rx | 1 Tx, 10 Rx | 32 Tx, 32 Rx |
| Maksymalna długość kabla | 1200 m² | 1200 m² |
| Maksymalna szybkość przesyłania danych | 10 Mb/s | 10 Mb/s |
| Minimalny zakres wyjściowy sterownika | ±2V | ± 1,5 V |
| Maksymalny zakres wyjściowy sterownika | ±5V | ±5V |
| Maksymalny prąd zwarciowy sterownika | 150 mA | 250 mA |
| Rezystancja obciążenia Tx | 100 omów | 54 omów |
| Czułość wejściowa Rx | ± 200 mV | ± 200 mV |
| Maksymalna impedancja wejściowa Rx | 4 kiloomów | 12 kiloomów |
| Zakres napięcia wejściowego Rx | ±7V | -7 V do +12 V |
| Logiczny jednopoziomowy Rx | > 200 mV | > 200 mV |
| Logiczny poziom zerowy Rx | < 200 мВ | < 200 мВ |
Ochrona ESD
Sygnalizacja różnicowa w systemach RS-485 i RS-422 zapewnia niezawodną transmisję danych w obecności zakłóceń, a wejścia różnicowe ich odbiorników mogą również odrzucać znaczne napięcia wspólne. Jednak należy podjąć dodatkowe środki w celu ochrony przed znacznie wyższymi poziomami napięcia zwykle związanymi z wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).
Naładowana pojemność ludzkiego ciała umożliwia zniszczenie układu scalonego przez dotknięcie go. Taki kontakt może łatwo wystąpić podczas układania i podłączania kabla interfejsu. Aby chronić przed takimi szkodliwymi skutkami, układy interfejsu MAXIM zawierają „struktury ESD”. Konstrukcje te chronią wyjścia nadajników i wejścia odbiorników w transceiverach RS-485 przed poziomami ESD do ±15kV.
Aby zapewnić deklarowaną ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi, Maxim wielokrotnie testuje dodatnie i ujemne przewody zasilania w krokach 200 V, aby zweryfikować spójność poziomu do ±15 kV. Urządzenia tej klasy (spełniające specyfikacje modelu ciała ludzkiego lub normy IEC 1000-4-2) są oznaczone dodatkowym sufiksem „E” w oznaczeniu produktu.
Obciążalność sterownika RS-485/RS-422 jest określana jako jednostkowe obciążenie, które z kolei jest definiowane jako impedancja wejściowa pojedynczego standardowego odbiornika RS-485 (12 kΩ). W ten sposób standardowy sterownik RS-485 może obsługiwać 32 obciążenia jednostkowe (32 równoległe obciążenia 12 kΩ). Jednak dla niektórych odbiorników RS-485 impedancja wejściowa jest wyższa - 48 kΩ (1/4 jednostki obciążenia) lub nawet 96 kΩ (1/8 jednostki obciążenia) - i odpowiednio do jednego można podłączyć 128 lub 256 takich odbiorników. autobus na raz. Można podłączyć dowolną kombinację typów odbiorników, o ile ich impedancja równoległa nie przekracza 32 jednostek obciążenia (tj. łączna impedancja co najmniej 375 omów).
Konsekwencje wysokich prędkości
Szybsze transfery wymagają wyższych szybkości narastania na wyjściu sterownika, a te z kolei wytwarzają wyższy poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Niektóre transceivery RS-485 minimalizują zakłócenia elektromagnetyczne poprzez ograniczenie ich szybkości narastania. Wolniejsze szybkości narastania pomagają również kontrolować odbicia spowodowane szybkimi transjentami, wysokimi szybkościami transmisji danych lub długimi łączami. Kluczem do zminimalizowania odbić jest zastosowanie terminatorów o wartościach odpowiadających impedancji charakterystycznej kabla. W przypadku zwykłych kabli RS-485 (skrętka 24AWG) oznacza to umieszczenie rezystorów 120 omów na obu końcach łącza.
Gdzie się podziała cała moc?
Oczywistym źródłem strat mocy jest prąd spoczynkowy transceivera (IQ), który w nowoczesnych urządzeniach jest znacznie zmniejszony. W tabeli 2 porównano prądy spoczynkowe nadajników-odbiorników CMOS małej mocy ze standardem przemysłowym 75176.
Tabela 2. Porównanie prądów upływu dla różnych transceiverów RS-485
Inna charakterystyka poboru mocy przez transceivery RS-485 występuje, gdy nie ma obciążenia, wyjście sterownika jest włączone i występuje okresowy sygnał wejściowy. Ponieważ należy zawsze unikać otwartych linii w RS-485, sterowniki „młotkują” swoje struktury wyjściowe za każdym razem, gdy wyjście jest przełączane. To krótkie włączenie obu tranzystorów wyjściowych powoduje natychmiastowy wzrost mocy. Wystarczająco duży kondensator wejściowy wygładza te przepięcia, wytwarzając prąd RMS, który rośnie wraz z szybkością transmisji danych do maksymalnej wartości. Dla transceiverów MAX1483 to maksimum wynosi około 15 mA.
Podłączenie standardowego transceivera RS-485 do minimalnego obciążenia (jeden dodatkowy transceiver, dwa rezystory zakończeniowe i dwa rezystory zabezpieczające) pozwala na pomiar zależności prądu zasilania od szybkości transmisji danych w bardziej realistycznych warunkach. Rysunek 2 przedstawia ICC w funkcji szybkości transmisji dla MAX1483 w następujących warunkach: standardowe rezystory 560 omów, 120 omów i 560 omów, VCC = 5 V, DE = /RE\ = VCC i 300 m kabla.
Jak widać na rysunku 2, pobór prądu wzrasta do około 37 mA nawet przy bardzo niskich szybkościach transmisji danych; jest to spowodowane głównie dodaniem rezystorów terminujących i ochronnych rezystorów polaryzacji. W przypadku aplikacji o niskim poborze mocy powinno to wykazać znaczenie zastosowanego rodzaju negocjacji, a także sposobu osiągnięcia odporności na awarie. Tolerancja błędów jest omówiona w następnej sekcji i szczegółowy opis Umowa jest dostępna w dziale "Złe żarty z umowy".
tolerancja błędów
Przy napięciach na wejściach odbiorników RS-485 w zakresie od -200mV do +200mV stan wyjścia pozostaje niezdefiniowany. Innymi słowy, jeśli napięcie różnicowe po stronie RS-485 w konfiguracji half-duplex wynosi 0V i żaden transceiver nie jest na linii (lub połączenie jest zerwane), to logiczna jedynka i logiczne zero na wyjściu są równe prawdopodobne. Aby zapewnić określony stan wyjścia w takich warunkach, większość nowoczesnych transceiverów RS-485 wymaga zainstalowania ochronnych rezystorów polaryzacji: rezystora do ustawienia początkowego wysokiego poziomu (pullup) na jednej linii (A) i niskiego poziomu (pulldown) na drugiej. (B), jak pokazano na Rysunku 1. Historycznie, rezystory polaryzacji bezpieczeństwa w większości obwodów zostały określone na wartość 560 omów, jednak w celu zmniejszenia strat mocy (gdy terminacja jest wykonywana tylko na jednym końcu łącza), wartość tę można zwiększyć do około 1,1 kΩ. Niektórzy programiści instalują rezystory o wartościach od 1,1 kΩ do 2,2 kΩ na obu końcach. Tutaj musimy znaleźć kompromis między odpornością na zakłócenia a poborem mocy.
Rysunek 1. Trzy zewnętrzne rezystory tworzą terminator i obwód polaryzacji osłony tego transceivera RS-485.
Rysunek 2. Prąd zasilania transceivera MAX1483 w funkcji szybkości transmisji danych.
Producenci transceiverów RS-485 wcześniej eliminowali potrzebę stosowania zewnętrznych rezystorów polaryzujących, dostarczając wewnętrzne rezystory dodatnie polaryzacji na wejściach odbiornika, ale to podejście było skuteczne tylko w przypadku rozwiązania problemu z otwartym obwodem. Rezystory dodatniej polaryzacji stosowane w tych pseudo-failsafe odbiornikach były zbyt słabe, aby ustawić poziom wyjściowy odbiornika na dopasowanej szynie. Inne próby uniknięcia stosowania zewnętrznych rezystorów poprzez zmianę progów odbiornika na 0V i -0,5V naruszyły specyfikację RS-485.
Rodzina transceiverów Maxim MAX3080 i MAX3471 rozwiązała oba te problemy, zapewniając precyzyjny zakres czułości progowej od -50mV do -200mV, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania rezystorów polaryzacji bezpieczeństwa przy zachowaniu pełnej zgodności ze standardem RS-485. Te układy scalone zapewniają, że 0 V na wejściu odbiornika spowoduje, że wyjście będzie wysokie. Co więcej, konstrukcja ta gwarantuje znany stan wyjścia odbiornika zarówno dla stanów linii zamkniętej, jak i przerywanej.
Jak pokazano w Tabeli 2, nadajniki-odbiorniki różnią się znacznie pod względem wartości prądu spoczynkowego. Zatem pierwszym krokiem w oszczędzaniu energii powinno być wybranie urządzenia o niskim poborze mocy, takiego jak MAX3471 (2.8uA z wyłączonym sterownikiem, do 64Kbps). Ponieważ pobór mocy znacznie wzrasta podczas przesyłania danych, kolejnym celem jest zminimalizowanie czasu pracy sterowników poprzez wysyłanie krótkich telegramów (bloków danych, ok. Lane) z długimi okresami oczekiwania między nimi. W tabeli 3 przedstawiono strukturę typowego telegramu transmisji szeregowej.
Tabela 3. Telegram szeregowy
System oparty na RS-485 wykorzystujący odbiorniki na jednostkę obciążenia (do 32 urządzeń adresowalnych) może mieć np. następujące bity: 5 bitów adresu, 8 bitów danych, bity startu (wszystkie ramki), bity stopu (wszystkie ramki), bity parzystości (opcjonalne) i bity CRC (opcjonalne). Minimalna długość telegramu dla tej konfiguracji wynosi 20 bitów. W przypadku bezpiecznej transmisji należy przesłać dodatkowe informacje, takie jak rozmiar danych, adres nadawcy i kierunek, co zwiększy długość telegramu do 255 bajtów (2040 bitów).
Ta zmiana długości telegramu, o strukturze określonej przez standardy, takie jak X.25, zapewnia niezawodność danych poprzez zwiększenie czasu magistrali i zużycia energii. Na przykład przesłanie 20 bitów z szybkością 200 kb/s wymagałoby 100 µs. W przypadku korzystania z MAX1483 do wysyłania danych co sekundę z szybkością 200 Kb/s, średni prąd wynosiłby
(100 µs * 53 mA + (1 s - 100 µs) * 20 µA) / 1 s = 25,3 µA
Gdy transceiver jest w trybie bezczynności, jego sterownik powinien być wyłączony, aby zminimalizować zużycie energii. Tabela 4 przedstawia wpływ długości telegramu na pobór mocy pojedynczego sterownika MAX1483, który działa w odstępach między transmisjami. Korzystanie z trybu wyłączania może dodatkowo zmniejszyć zużycie energii w systemie, który wykorzystuje technologię odpytywania w stałych odstępach czasu lub dłuższych, deterministycznych odstępach między transmisjami.
Tabela 4. Zależność między długością telegramu a poborem prądu w przypadku korzystania ze sterownika MAX1483
Oprócz tych rozważań dotyczących oprogramowania, sprzęt oferuje wiele możliwości poprawy pod względem zużycia energii. Rysunek 3 porównuje prąd pobierany przez różne nadajniki-odbiorniki podczas przesyłania sygnału fali prostokątnej przez 300-metrowy kabel z aktywnymi sterownikami i odbiornikami. 75ALS176 i MAX1483 używają standardowego zakończenia 560Ω/120Ω/560Ω na obu końcach łącza, podczas gdy urządzenia „prawdziwie odporne na awarie” (MAX3088 i MAX3471) mają tylko rezystory końcowe 120Ω na obu końcach magistrali. Przy 20Kbps pobór prądu waha się od 12,2mA (MAX3471 z VCC = 3,3V) do 70mA (75ALS176). W ten sposób znaczne zmniejszenie zużycia następuje natychmiast po wybraniu urządzenia o małej mocy z właściwością „prawdziwie odpornego na awarie”, co dodatkowo eliminuje potrzebę stosowania ochronnych rezystorów polaryzujących (do masy i do linii zasilającej VCC). ). Sprawdź, czy odbiornik wybranego transceivera RS-485 wyprowadza prawidłowe poziomy logiczne zarówno dla warunków obwodu zamkniętego, jak i otwartego.
Rysunek 3. Układy nadawczo-odbiorcze znacznie różnią się zależnością poboru prądu od szybkości transmisji danych.
Złe żarty zgody
Jak wspomniano powyżej, rezystory terminujące eliminują odbicia spowodowane niedopasowaniem impedancji, ale ich wadą jest dodatkowe rozpraszanie mocy. Ich efekt pokazano w Tabeli 5, która przedstawia pobór prądu dla różnych transceiverów (z aktywnym sterownikiem) dla braku rezystorów, tylko rezystorów zakończeniowych oraz kombinacji rezystorów zakończeniowych i polaryzacji bezpieczeństwa.
Tabela 5. Rezystory zakończeniowe i polaryzacyjne zwiększają pobór prądu
| MAX1483 | MAX3088 | MAX3471 | SN75ALS176 | |
| I VCC (bez RT) | 60 μA | 517 μA | 74 μA | 22 zł |
| I VCC (RT=120) | 24 μA | 22,5 μA | 19,5 μA | 48 μA |
| I VCC (RT = 560-120-560) | 42 μA | Nie dotyczy | Nie dotyczy | 70 μA |
Wyjątek w negocjacjach
Pierwszym sposobem na zmniejszenie zużycia energii jest całkowite wyeliminowanie rezystorów terminujących. Ta opcja jest możliwa tylko w przypadku krótkich łączy i niskich szybkości transmisji danych, które umożliwiają ustalenie odbić przed przetworzeniem danych przez odbiornik. Jak pokazuje praktyka, dopasowanie nie jest konieczne, jeśli czas narastania sygnału jest co najmniej czterokrotnie dłuższy od czasu opóźnienia sygnału jednokierunkowego przez kabel. Poniższe kroki wykorzystują tę regułę do obliczenia maksymalnej dopuszczalnej długości niedopasowanego kabla:
W ten sposób MAX3471 może zapewnić przyzwoitą jakość sygnału podczas transmisji i odbioru z szybkością 64 Kb/s przez 38-metrowy kabel bez rezystorów terminujących. Rysunek 4 pokazuje dramatyczne oszczędności energii osiągnięte przez MAX3471, gdy zastosowano 30 metrów kabla bez rezystorów zakończeniowych zamiast 300 metrów kabla i 120 rezystorów zakończeniowych.
Rysunek 4. Rezystory zakończeniowe - główny odbiorca energii.
Dopasowanie RC
Na pierwszy rzut oka zdolność zakończenia RC do blokowania DC jest bardzo obiecująca. Przekonasz się jednak, że ta technika nakłada pewne warunki. Zakończenie składa się z szeregu RC połączonego równolegle z różnicowymi wejściami odbiornika (A i B), jak pokazano na rysunku 5. Chociaż R jest zawsze równe impedancji charakterystycznej kabla (Z 0), wybór C wymaga pewnego rozważenia. Duża wartość C zapewnia dobre dopasowanie, dzięki czemu każdy sygnał może zobaczyć R, który odpowiada Z0, ale duże wartości również zwiększają szczytowy prąd wyjściowy sterownika. Niestety dłuższe kable wymagają wyższych wartości C. Całe artykuły poświęcono określeniu oceny C, aby osiągnąć ten kompromis. Szczegółowe równania na ten temat można znaleźć w instrukcjach, do których prowadzą linki na końcu tego artykułu.
Rysunek 5. Dopasowanie RC zmniejsza zużycie, ale wymaga starannego doboru wartości C.
Średnie napięcie sygnału to kolejny ważny czynnik, który często jest pomijany. Chyba że średnie napięcie sygnału jest zbalansowane do prąd stały, efekt stopniowania DC powoduje znaczne drgania z powodu efektu znanego jako „intersymbole międzysymbolowe”. Krótko mówiąc, zakończenie RC skutecznie zmniejsza zużycie energii, ale jest podatne na pogorszenie jakości sygnału. Ponieważ dopasowanie RC nakłada tak wiele ograniczeń na jego użycie, najlepszą alternatywą w wielu przypadkach jest brak dopasowania.
Dopasowanie na diodach Schottky'ego
Diody Schottky'ego oferują alternatywną metodę terminacji, gdy problemem jest wysokie zużycie energii. W przeciwieństwie do innych typów dopasowywania, diody Schottky'ego nie próbują dopasowywać charakterystycznej impedancji szyny. Zamiast tego po prostu tłumią kolce i kolce na krawędziach impulsów spowodowane odbiciem. W rezultacie zmiany napięcia są ograniczone do dodatniego napięcia progowego i do zera.
Diody Schottky'ego marnują mało energii, ponieważ przewodzą tylko wtedy, gdy występują dodatnie i ujemne impulsy. Z drugiej strony, standardowe zakończenie rezystancyjne (z lub bez rezystorów polaryzacji bezpieczeństwa) stale rozprasza moc. Rysunek 6 ilustruje zastosowanie diod Schottky'ego do zwalczania odbić. Diody Schottky'ego nie zapewniają pracy fault-tolerant, jednak progowe poziomy napięć wybrane w transceiverach MAX308X i MAX3471 umożliwiają realizację pracy fault-tolerant z tego typu dopasowaniem.
Rysunek 6. Pomimo wysokich kosztów obwód dopasowujący diody Schottky'ego ma wiele zalet.
Dioda Schottky'ego, najlepsze dostępne przybliżenie idealnej diody (zerowe napięcie przewodzenia Vf, zerowy czas załączenia tON i zerowy czas powrotu do tyłu trr), jest bardzo interesująca jako zamiennik energochłonnych rezystorów końcowych. Wadą tego dopasowania w systemach RS-485/RS-422 jest to, że diody Schottky'ego nie mogą tłumić wszystkich odbić. Gdy odbity sygnał zanika poniżej napięcia przewodzenia diody Schottky'ego, diody końcowe nie mają wpływu na jego energię i utrzymuje się, dopóki nie zostanie rozproszona przez kabel. To, czy te przedłużone zaburzenia są znaczące, czy nie, zależy od wielkości sygnału na wejściach odbiornika.
Główną wadą terminatora Schottky'ego jest jego koszt. Jeden punkt końcowy wymaga dwóch diod. Ponieważ magistrala RS-485/RS-422 jest różnicowa, liczba ta jest ponownie mnożona przez dwa (Rysunek 6). Użycie wielu terminatorów Schottky'ego w autobusie nie jest niczym niezwykłym.
Terminatory diodowe Schottky'ego zapewniają wiele korzyści dla systemów opartych na RS-485/RS-422, a główną z nich jest oszczędność energii (Rysunek 7). Nie ma potrzeby niczego obliczać, ponieważ określone limity długości kabla i szybkości transmisji danych zostaną osiągnięte przed jakimikolwiek limitami terminatora Schottky'ego. Kolejną zaletą jest to, że wiele terminatorów Schottky'ego na różnych odczepach i wejściach odbiornika poprawia jakość sygnału bez obciążania magistrali komunikacyjnej.
Rysunek 7. Pobór prądu w systemach RS-485 jest silnie uzależniony od szybkości transmisji i rodzaju terminacji.
Zreasumowanie
Przy dużej szybkości transmisji danych i długim kablu trudno jest osiągnąć ultraniskie zużycie w systemie RS-485 (w oryginale „flea power” – „flea power”, – approx. Lane), ponieważ staje się niezbędne do zainstalowania pasujących urządzeń na linii komunikacyjnej (terminatory). W takim przypadku nadajniki-odbiorniki z „prawdziwą odpornością na szum” na wyjściach odbiornika mogą oszczędzać energię, nawet gdy stosowane są terminatory, eliminując potrzebę stosowania bezpiecznych rezystorów polaryzujących. Komunikacja oprogramowania zmniejsza również zużycie energii, ustawiając transceiver w stan dezaktywacji lub wyłączając sterownik, gdy nie jest używany.
W przypadku niższych prędkości i krótszych kabli różnica w zużyciu energii jest ogromna: przesyłanie danych z szybkością 60 kb/s przez 30-metrowy kabel przy użyciu standardowego nadajnika-odbiornika SN75ALS176 z rezystorami zakończeniowymi 120 omów wymaga 70 mA prądu z systemu zasilania. Z drugiej strony użycie MAX3471 w tych samych warunkach wymagałoby tylko 2,5mA z zasilacza.
RS-485 to standard, który został po raz pierwszy przyjęty przez Electronic Industries Association. Do tej pory norma ta uwzględnia właściwości elektryczne różnych odbiorników i nadajników używanych w różnych zrównoważonych systemach cyfrowych.
Wśród specjalistów RS-485 to nazwa dość popularnego interfejsu, który jest aktywnie wykorzystywany w różnych systemach sterowania procesami przemysłowymi do łączenia ze sobą kilku sterowników, a także wielu innych urządzeń. Główna różnica między tym interfejsem a równie powszechnym RS-232 polega na tym, że umożliwia łączenie kilku typów urządzeń jednocześnie.
Za pomocą RS-485 szybka wymiana informacji między kilkoma urządzeniami za pośrednictwem jednego linia dwuprzewodowa komunikacja w trybie half duplex. Znajduje szerokie zastosowanie w nowoczesnym przemyśle w procesie formowania systemów sterowania procesami.
Za pomocą tego standardu informacje są przesyłane z prędkością do 10 Mb/s, natomiast maksymalny możliwy zasięg będzie bezpośrednio zależał od prędkości, z jaką przesyłane są dane. W ten sposób, aby zapewnić maksymalną prędkość, dane mogą być przesyłane nie dalej niż 120 metrów, natomiast z prędkością 100 kbps informacje są przesyłane na odległość większą niż 1200 metrów.
Liczba urządzeń, które interfejs RS-485 może łączyć, będzie bezpośrednio zależeć od tego, jakie transceivery są używane w urządzeniu. Każdy nadajnik jest przeznaczony do jednoczesnego sterowania 32 standardowymi odbiornikami, jednak należy rozumieć, że istnieją odbiorniki, których impedancja wejściowa wynosi 50%, 25% lub nawet mniej niż standard, a jeśli taki sprzęt jest używany, łączna liczba urządzeń będzie odpowiednio zwiększyć.
Kabel RS-485 nie standaryzuje żadnego konkretnego formatu ramek informacji ani protokołu wymiany. W zdecydowanej większości przypadków używane są dokładnie te same ramki, których używa RS-232, to znaczy bity danych, bity stopu i startu oraz bit parzystości, jeśli to konieczne.
Działanie protokołów wymiany w większości nowoczesnych systemów odbywa się zgodnie z zasadą „master-slave”, to znaczy, że jakieś urządzenie w sieci jest masterem i przejmuje inicjatywę wysyłania żądań pomiędzy wszystkimi urządzeniami slave różniącymi się adresami logicznymi. Najpopularniejszym obecnie protokołem jest Modbus RTU.
Warto zauważyć, że kabel RS-485 również nie posiada określonego typu złącz czy wylutowania, czyli mogą być złącza terminalowe, DB9 i inne.
Najczęściej przy użyciu tego interfejsu istnieje sieć lokalna, która łączy kilka transceiverów jednocześnie.
Podłączając RS-485 należy poprawnie połączyć obwody sygnałowe, zwykle nazywane A i B. W tym przypadku odwrócenie polaryzacji nie jest takie straszne, tylko podłączone urządzenia nie będą działać.
Korzystając z interfejsu RS-485 należy wziąć pod uwagę kilka cech jego działania:
Zastosowanie rezystorów terminujących standard lub USB RS-485 zapewnia pełne dopasowanie otwartego końca kabla z kolejną linią, całkowicie eliminując możliwość odbicia sygnału.
Rezystancja nominalna rezystorów odpowiada impedancji falowej kabla i dla kabli opartych na skrętce w większości przypadków wynosi około 100-120 omów. Na przykład dość popularny dziś kabel UTP-5, który jest aktywnie wykorzystywany w procesie układania Ethernetu, ma charakterystyczną impedancję 100 omów. W przypadku innych opcji kabli można zastosować inne parametry.
Rezystory w razie potrzeby można przylutować na stykach złączy kabli już w urządzeniach końcowych. Rzadko w samym urządzeniu montuje się rezystory, w wyniku czego do podłączenia rezystora należy założyć zworki. W takim przypadku, jeśli urządzenie jest wyłączone, linia jest całkowicie niedopasowana. Aby zapewnić normalne działanie reszty systemu, należy podłączyć pasującą wtyczkę.
Port RS-485 wykorzystuje zrównoważoną transmisję danych, to znaczy poziomy napięć na obwodach sygnałowych A i B będą zmieniać się w przeciwfazie.
Czujnik powinien zapewniać poziom sygnału 1,5 V przy pełnym obciążeniu i nie większy niż 6 V na biegu jałowym. Poziom napięcia jest mierzony różnicowo, każdy przewód sygnałowy względem drugiego.
Tam, gdzie znajduje się odbiornik, minimalny poziom odbieranego sygnału powinien w każdym przypadku wynosić co najmniej 200 mV.
W przypadku braku sygnału w obwodach sygnałowych następuje niewielkie przesunięcie, które chroni odbiornik przed przypadkami błędnej obsługi.
Eksperci zalecają przesunięcie nieco większe niż 200 mV, ponieważ wartość ta odpowiada strefie niepewności sygnału wejściowego zgodnie z normą. W tym przypadku obwód A jest doprowadzony do dodatniego bieguna źródła, a obwód B jest doprowadzony do masy.
Zgodnie z wymaganym offsetem i napięciem zasilania, obliczenia są przeprowadzane, np. jeśli potrzebujesz uzyskać offset 250 mV przy użyciu rezystorów końcowych RT = 120 Ohm, podczas gdy źródło ma napięcie 12 V. Biorąc pod uwagę że w tym przypadku dwa oporniki są połączone równolegle ze sobą i bez żadnego względu na obciążenie po stronie odbiornika, prąd polaryzacji wynosi 0,0042 A, podczas gdy całkowita rezystancja obwodu polaryzacji wynosi 2857 omów. R cm w tym przypadku będzie wynosić około 1400 omów, więc musisz wybrać najbliższą wartość.
Jako przykład zostanie użyty rezystor polaryzacji 1,5 kΩ, a także zewnętrzny rezystor 12 woltów. Dodatkowo w naszym systemie znajduje się izolowane wyjście zasilacza sterownika, które jest wiodącym ogniwem w swoim segmencie obwodu.
Oczywiście istnieje wiele innych opcji implementacji biasu, które wykorzystują konwerter RS-485 i inne elementy, ale w każdym przypadku umieszczając obwody biasu należy liczyć się z tym, że węzeł, który go dostarczy będzie okresowo wyłączał się lub nawet ostatecznie może zostać całkowicie usunięty z sieci.
Jeśli występuje odchylenie, wówczas potencjał obwodu A na pełnym biegu jałowym jest dodatni w stosunku do obwodu B, co jest wskazówką, jeśli nowe urządzenie jest podłączone do kabla bez oznaczeń przewodów.
Realizacja powyższych zaleceń pozwala uzyskać normalną transmisję sygnałów elektrycznych do różnych punktów w sieci, o ile podstawą jest protokół RS-485. Jeśli co najmniej jedno z wymagań nie zostanie spełnione, wystąpi zniekształcenie sygnału. Najbardziej zauważalne zniekształcenia zaczynają się pojawiać, gdy szybkość wymiany danych przekracza 1 Mb/s, ale w rzeczywistości nawet w przypadku niższych prędkości zdecydowanie zaleca się nie zaniedbywać wskazanych zaleceń, nawet jeśli sieć „już działa normalnie”.
Podczas programowania różnych aplikacji współpracujących z urządzeniami wykorzystującymi rozdzielacz RS-485 oraz innymi urządzeniami z tym interfejsem należy wziąć pod uwagę kilka ważnych punktów. Wymieńmy je:
Interfejs ten daje możliwość łączenia urządzeń w formacie „bus”, gdy wszystkie urządzenia są połączone jedną parą przewodów. W takim przypadku linia komunikacyjna musi koniecznie być dopasowana przez rezystory terminujące na dwóch końcach.
Aby zapewnić dopasowanie, w tym przypadku instalowane są rezystory charakteryzujące się rezystancją 620 omów. Są zawsze instalowane na pierwszym i ostatnim urządzeniu podłączonym do linii. W zdecydowanej większości nowoczesnych urządzeń jest też wbudowana rezystancja zakańczająca, którą w razie potrzeby można podłączyć do linii poprzez założenie specjalnej zworki na płytce urządzenia.
Ponieważ zworki są początkowo zainstalowane w stanie fabrycznym, należy je najpierw usunąć odpowiednio ze wszystkich urządzeń, z wyjątkiem pierwszego i ostatniego podłączonego do linii. W konwerterach typu S2000-PI dla każdego pojedynczego wyjścia rezystancja terminująca włączana jest przełącznikiem, natomiast urządzenia S2000-KS i S2000-K charakteryzują się wbudowaną rezystancją terminującą, dzięki czemu do podłączenia nie jest wymagana zworka.
W celu zapewnienia dłuższej linii komunikacyjnej zaleca się stosowanie specjalizowanych repeaterów-repeaterów wyposażonych w w pełni automatyczne przełączanie kierunku nadawania.
Ewentualne odczepy w linii RS-485 są niepożądane, ponieważ w tym przypadku mamy do czynienia z dość silnymi zniekształceniami sygnału, ale z praktycznego punktu widzenia można je tolerować przy niewielkiej długości odczepu. W takim przypadku instalowanie terminatorów na osobnych gałęziach nie jest wymagane.
W systemie rozdzielczym RS-485 sterowanym z pilota, jeśli ten ostatni i urządzenia są podłączone do tej samej linii, ale zasilane z różnych źródeł, konieczne będzie połączenie obwodów 0 V wszystkich urządzeń i pilota w celu aby zapewnić wyrównanie ich potencjałów. Jeśli to wymaganie nie jest spełnione, to w takim przypadku pilot może mieć niestabilne połączenie z urządzeniami. Jeśli ma być użyty kabel z kilkoma skręconymi parami żył, w razie potrzeby do obwodu wyrównania potencjałów można użyć całkowicie wolnej pary. Między innymi możliwe jest również zastosowanie ekranowanej skrętki w przypadku braku uziemienia ekranu.
W przeważającej większości prąd płynący przez przewód wyrównujący potencjał jest dość mały, jednak jeśli urządzenia 0 V lub same zasilacze są podłączone do kilku lokalnych szyn uziemiających, różnica potencjałów między różnymi obwodami 0 V może wynosić kilka jednostek, aw niektórych przypadkach nawet dziesiątki woltów, podczas gdy prąd płynący przez obwód wyrównania potencjału może być dość znaczny. To jest właśnie częsty powód niestabilnego połączenia między pilotem a urządzeniami, w wyniku którego mogą nawet zawieść.
Z tego powodu konieczne jest wykluczenie możliwości uziemienia obwodu 0 V lub maksymalnie uziemienie tego obwodu w określonym punkcie. Należy również wziąć pod uwagę możliwość istnienia związku pomiędzy 0 V a obwodem ochronnym występującym w sprzęcie stosowanym w systemie alarmowym.
W obiektach, które charakteryzują się dość trudnym środowiskiem elektromagnetycznym, możliwe jest połączenie tej sieci za pomocą ekranowanej skrętki dwużyłowej. W takim przypadku może występować krótsza granica odległości, ponieważ pojemność kabla jest wyższa.
W zastosowaniach przemysłowych, bezprzewodowe linie danych nigdy nie może całkowicie zastąpić przewodowy. Wśród tych ostatnich najbardziej powszechnym i niezawodnym jest nadal interfejs szeregowy
RS
-485
. A producentem najbardziej chronionych przed wpływami zewnętrznymi i różnych w konfiguracji i stopniu integracji transceiverów dla niego z kolei pozostaje firmaMaksyma
zintegrowany
.
Pomimo wzrostu popularności sieci bezprzewodowe, najbardziej niezawodne i stabilne połączenie, szczególnie w trudnych warunkach pracy, zapewniają połączenia przewodowe. Odpowiednio zaprojektowane sieci przewodowe umożliwiają wydajną komunikację w zastosowaniach przemysłowych i systemach sterowania procesami przemysłowymi, zapewniając odporność na zakłócenia, ESD i przepięcia. Charakterystyczne cechy interfejsu RS-485 doprowadziły do jego szerokiego zastosowania w przemyśle.
Transceiver RS-485 jest najpopularniejszym interfejsem warstwy fizycznej do realizacji szeregowych sieci danych w trudnych warunkach w aplikacjach automatyki przemysłowej i budynkowej. Ten standard interfejsu szeregowego zapewnia szybką komunikację na stosunkowo duże odległości za pośrednictwem pojedynczej linii różnicowej (skrętka). Głównym problemem związanym ze stosowaniem RS-485 w przemyśle i systemach automatyki budynkowej jest to, że przebiegi elektryczne występujące podczas szybkiego przełączania obciążeń indukcyjnych, wyładowań elektrostatycznych i przepięć, działających w sieciach zautomatyzowanych układów sterowania, mogą zniekształcać przesyłane dane lub spowodować ich porażkę.
Obecnie istnieje kilka typów interfejsów przesyłania danych, z których każdy przeznaczony jest do konkretnych zastosowań, z uwzględnieniem wymaganego zestawu parametrów i struktury protokołu. Interfejsy szeregowe obejmują CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI i SMBus, ale RS-485 i RS-422 są nadal najbardziej niezawodne, szczególnie w trudnych warunkach pracy .
Interfejsy RS-485 i RS-422 są pod wieloma względami podobne, mają jednak pewne istotne różnice, które należy uwzględnić przy projektowaniu systemów transmisji danych. Zgodnie ze standardem TIA/EIA-422 interfejs RS-422 jest przeznaczony do zastosowań przemysłowych z jednym urządzeniem nadrzędnym magistrali danych, do którego można podłączyć do 10 urządzeń podrzędnych (Rysunek 1). Zapewnia transmisję z prędkością do 10 Mb/s za pomocą skrętki, co poprawia odporność na zakłócenia i pozwala na osiągnięcie najwyższego możliwego zasięgu i szybkości przesyłania danych. Typowe zastosowania RS-422 to automatyzacja procesów (chemikalia, przetwórstwo spożywcze, papiernie), zintegrowana automatyka fabryk (przemysł motoryzacyjny i metalurgiczny), systemy wentylacji i klimatyzacji, systemy bezpieczeństwa, sterowanie silnikami i ruchem obiektów.
RS-485 zapewnia większą elastyczność poprzez umożliwienie wielu urządzeń nadrzędnych na wspólnej magistrali i zwiększenie maksymalnej liczby urządzeń na magistrali z 10 do 32. Zgodnie ze standardem TIA/EIA-485, RS-485 ma więcej niż RS-422 szeroki zakres napięć wspólnych (-7…12 V zamiast ±7V) i nieco mniejszy zakres napięć różnicowych (±1,5 V zamiast ±2 V), co zapewnia wystarczający poziom sygnału odbiornika przy maksymalnym obciążeniu linii. Korzystając z zaawansowanych możliwości wielopunktowej magistrali danych, możesz tworzyć sieci urządzeń podłączonych do tego samego Port szeregowy RS-485. Ze względu na wysoką odporność na zakłócenia i możliwość pracy wielopunktowej, RS-485 jest najlepszym interfejsem szeregowym do stosowania w przemysłowych systemach rozproszonych podłączonych do programowalnego sterownika logicznego (PLC), sterownika graficznego (HMI) lub innych sterowników akwizycji danych. Ponieważ RS-485 jest rozszerzeniem RS-422, wszystkie urządzenia RS-422 mogą łączyć się z magistralą sterowaną przez mastera RS-485. Typowe aplikacje dla RS-485 są podobne do tych dla RS-422 wymienionych powyżej, przy czym RS-485 jest używany częściej ze względu na jego rozszerzone możliwości.
Standard TIA/EIA-485 pozwala na korzystanie z RS-485 na odległości do 1200 m. Przy mniejszych odległościach prędkość transmisji danych przekracza 40 Mb/s. Użycie sygnału różnicowego zapewnia interfejsowi RS-485 większy zasięg, ale szybkość transmisji spada wraz ze wzrostem długości linii. Pole przekroju przewodów linii oraz ilość podłączonych do niej urządzeń również wpływają na szybkość transmisji danych. Jeśli potrzebujesz osiągnąć zarówno duży zasięg, jak i dużą szybkość transmisji danych, zaleca się użycie transceiverów RS-485 z wbudowaną funkcją korekcji wysokiej częstotliwości, takich jak MAX3291. Interfejs RS-485 może pracować w trybie half-duplex przy użyciu jednej skrętki przewodów lub w trybie full-duplex z jednoczesną transmisją i odbiorem danych, co zapewnia zastosowanie dwóch skrętek (cztery przewody). W konfiguracji multidrop half-duplex, RS-485 może obsługiwać do 32 nadajników i do 32 odbiorników. Jednak układy scalone transceiverów nowszej generacji mają wyższą impedancję wejściową, co zmniejsza obciążenie linii odbiorczej z 1/4 do 1/8 wartości standardowej. Np. stosując transceiver MAX13448E można zwiększyć liczbę odbiorników podłączonych do magistrali RS-485 do 256. Dzięki zaawansowanemu interfejsowi multidrop RS-485 możliwe jest łączenie w sieć różnych urządzeń podłączonych do jednego portu szeregowego, np. pokazano na rysunku 2.
Czułość odbiornika wynosi ±200 mV. Dlatego, aby rozpoznać jeden bit danych, poziomy sygnału w punkcie podłączenia odbiornika muszą być większe niż +200 mV dla zera i mniejsze niż -200 mV dla jednego (Rysunek 3). W takim przypadku odbiornik będzie tłumił zakłócenia, których poziom mieści się w zakresie ±200 mV. Linia różnicowa zapewnia również skuteczne odrzucanie trybu wspólnego. Minimalna impedancja wejściowa odbiornika wynosi 12 kOhm, napięcie wyjściowe nadajnika mieści się w zakresie ±1,5...±5 V.
Projektanci systemów przemysłowych stają przed wyzwaniem zapewnienia ich niezawodnej pracy w środowiskach elektromagnetycznych, które mogą niszczyć sprzęt lub zakłócać systemy komunikacji cyfrowej. Jeden przykład podobne systemy jest automatyczna kontrola sprzęt technologiczny w zautomatyzowanym zakładzie przemysłowym. Sterownik, który steruje procesem, mierzy jego parametry, a także parametry środowiskowe i przekazuje polecenia do elementów wykonawczych lub generuje alarmy awaryjne. Sterowniki przemysłowe to z reguły urządzenia mikroprocesorowe, których architektura jest zoptymalizowana pod kątem rozwiązywania problemów danego przedsiębiorstwa przemysłowego. Łącza danych typu punkt-punkt w takich systemach podlegają silnym zakłóceniom elektromagnetycznym pochodzącym z otoczenia.
Przetwornice DC/DC stosowane w zastosowaniach przemysłowych działają przy wysokich napięciach wejściowych i zapewniają izolowane napięcia od wejścia do zasilania obciążenia. Urządzenia systemu rozproszonego, które nie posiadają własnego zasilania sieciowego, zasilane są napięciem 24 lub 48 V DC. Terminator zasilany jest napięciem 12 lub 5 V uzyskanym poprzez przekształcenie napięcia wejściowego. Systemy, które komunikują się ze zdalnymi czujnikami lub siłownikami, wymagają ochrony przed przepięciami, EMI i potencjału uziemienia.
Wiele firm, takich jak Maxim Integrated, dokłada wszelkich starań, aby obwody scalone do zastosowań przemysłowych były wysoce niezawodne i odporne na trudne warunki elektromagnetyczne. Nadajniki-odbiorniki Maxim RS-485 zawierają wbudowane wysokonapięciowe obwody ESD i ochrony przeciwprzepięciowej i można je wymieniać podczas pracy bez utraty danych na linii.
Wyładowanie elektrostatyczne (ESD) występuje, gdy dwa przeciwnie naładowane materiały stykają się ze sobą, co powoduje przeniesienie ładunków statycznych i powstanie wyładowania iskrowego. ESD często występuje, gdy ludzie stykają się z otaczającymi ich przedmiotami. Wyładowania iskrowe powstające podczas nieostrożnego obchodzenia się z urządzeniami półprzewodnikowymi mogą znacząco obniżyć ich wydajność lub doprowadzić do całkowitego zniszczenia struktury półprzewodnikowej. ESD może wystąpić, na przykład, podczas zmiany kabla lub po prostu dotknięcia portu I/O i spowodować zamknięcie portu z powodu awarii jednego lub więcej układów interfejsu (Rysunek 4).
Takie wypadki mogą prowadzić do znacznych strat, gdyż zwiększają koszty napraw gwarancyjnych i są w konsekwencji postrzegane przez konsumentów Niska jakość produkt. W produkcji przemysłowej ESD jest poważnym problemem, który może powodować straty rzędu miliardów dolarów rocznie. W rzeczywistych warunkach pracy wyładowania elektrostatyczne mogą prowadzić do awarii poszczególnych elementów, a czasami całego systemu. Zewnętrzne diody mogą być używane do ochrony interfejsów danych, ale niektóre układy scalone interfejsów zawierają wbudowane elementy zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi i nie wymagają dodatkowych zewnętrznych obwodów ochronnych. Rysunek 5 przedstawia uproszczony schemat funkcjonalny typowego wbudowanego obwodu zabezpieczającego przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Stany nieustalone w torze sygnałowym są ograniczane przez diodowy obwód ochronny na poziomach napięcia zasilania VCC i masy, dzięki czemu chronią wewnętrzną część obwodu przed uszkodzeniem. Obecnie produkowane chipy interfejsowe i przełączniki analogowe z wbudowaną ochroną ESD są zgodne głównie z normą IEC 61000-4-2.
Maxim Integrated dużo zainwestował w układy scalone z solidną wbudowaną ochroną ESD i jest obecnie liderem w dziedzinie transceiverów RS-232 na RS-485. Urządzenia te wytrzymują impulsy testowe ESD zgodne z IEC (IEC) 61000-4-2 i JEDEC JS-001, przykładane bezpośrednio do portów we/wy. Rozwiązania ESD firmy Maxim są niezawodne, niedrogie, bez dodatkowych komponentów zewnętrznych i tańsze niż większość ich odpowiedników. Wszystkie chipy interfejsu produkowane przez tę firmę zawierają wbudowane elementy, które chronią każde wyjście przed ESD, które pojawia się podczas produkcji i eksploatacji. Rodzina urządzeń nadawczo-odbiorczych MAX3483AE /MAX3485AE zapewnia ochronę wyjść nadajnika i wejść odbiornika przed przepięciami wysokiego napięcia do ±20 kV. Jednocześnie zachowany jest normalny tryb pracy produktów, nie ma potrzeby wyłączania i ponownego włączania zasilania. Ponadto wbudowane funkcje ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi zapewniają włączanie i wyłączanie zasilania oraz pracę w trybie czuwania przy niskim poborze mocy.
W zastosowaniach przemysłowych wejścia i wyjścia sterowników RS-485 są podatne na awarie spowodowane przepięciami. Parametry udaru różnią się od ESD - podczas gdy czas trwania ESD zwykle mieści się w zakresie do 100 ns, napięcia udarowe mogą wynosić 200 µs lub więcej. Przepięcia mogą być spowodowane błędami okablowania, złymi połączeniami, uszkodzonymi lub wadliwymi kablami oraz spadkami lutów, które mogą tworzyć przewodzące połączenie między liniami zasilania i sygnałowymi na płytka drukowana lub w gnieździe. Ponieważ przemysłowe systemy zasilania wykorzystują napięcia przekraczające 24 V, wystawienie na takie napięcia w standardowych nadajnikach-odbiornikach RS-485, które nie mają ochrony przeciwprzepięciowej, spowoduje ich awarię w ciągu kilku minut, a nawet sekund. Aby chronić przed przepięciami, konwencjonalne chipy interfejsu RS-485 wymagają drogich urządzeń zewnętrznych wykonanych na elementach dyskretnych. Nadajniki-odbiorniki RS-485 z wbudowanym zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym są w stanie wytrzymać zakłócenia w trybie wspólnym do ±40, ±60 i ±80 V na linii danych i wyjścia do ±80 V w stosunku do uziemienia. Elementy zabezpieczające działają niezależnie od aktualnego stanu chipa, niezależnie od tego, czy jest włączony, wyłączony, czy w trybie gotowości, dzięki czemu te transceivery są najbardziej niezawodne w branży, idealne do zastosowań przemysłowych. Urządzenia nadawczo-odbiorcze Maxim wytrzymują przepięcia spowodowane zwarciem linii zasilających i sygnałowych, błędami okablowania, błędnie podłączonymi złączami, wadliwymi kablami i nadużyciami.
Istotną cechą układów interfejsu RS-485 jest odporność odbiorników na niezdefiniowane stany linii, co gwarantuje ustawienie wysokiego poziomu logicznego na wyjściu odbiornika, gdy wejścia są otwarte lub zamknięte, a także gdy wszystkie nadajniki podłączone do linia przechodzi w stan nieaktywny (stan wysokiej impedancji wyjść). Problem poprawnej percepcji przez odbiornik sygnałów zamkniętej linii danych rozwiązuje się poprzez przesunięcie progów sygnału wejściowego na ujemne napięcia -50 i -200 mV. Jeżeli wejściowe napięcie różnicowe odbiornika VA - V B jest większe lub równe -50 mV, wyjście R 0 jest ustawiane na wysoki poziom. Jeśli V A - V B jest mniejsze lub równe -200 mV - wyjście R 0 jest ustawione w stan niski. Gdy wszystkie nadajniki uśpią się, a linia zostanie zakończona, różnicowe napięcie wejściowe odbiornika jest bliskie zeru, w wyniku czego wyjście odbiornika staje się wysokie. W tym przypadku margines odporności na zakłócenia na wejściu wynosi 50 mV. W przeciwieństwie do transceiverów poprzedniej generacji, progi -50 i -200 mV odpowiadają wartościom ±200 mV określonym przez standard EIA/TIA-485.
