2.Интерфейс rs-485

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Амери- канскими Ассоциацией электронной промышленности (EIA – Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA – Telecommunications Industry Associastion).

«Официальное» название стандарта – TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (Электрические характеристики передатчи- ков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах). Однако боль- шинство специалистов используют старое обозначение, RS-485.

Интерфейс RS-485 – широко распространенный достаточно высокоскоростной и помехо- устойчивый промышленный последовательный интерфейс передачи данных. Практически все со- временные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры наряду с традиционным интерфейсом RS-232 содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.

Традиционный интерфейс RS-232 в промышленной автоматизации применяется достаточно

редко. Сигналы этого интерфейса передаются несимметричными сигналами относительно общего провода, длина линии связи, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низ- кой помехоустойчивости. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства (соединение «точка-точка»). До недавнего времени RS-232 имелся в каждом PC-совместимом компьютере, где использовался в основном для подключения «мыши», модема, реже – для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютера в другой.

Интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих уст- ройств к одной физической линии («мультиплексная шина»), обеспечивая обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме (раз- новидность RS-485 – RS-422 – в дуплексном). Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифферен- циальными перепадами напряжения, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более, с использованием специальных устройств – повторителей).

Протоколы. Стандарт RS-485 не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интер- фейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит. Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу «ведущий»–«ведомый»: одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным (ве- домым) устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

Разъемы. Тип соединителей и их распайка также не оговариваются стандартом RS-485.

Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.

В интерфейсе RS-485 используется принцип дифференциальной (балансной) передачи дан- ных, суть которого заключается в передаче одного сигнала по двум проводам, причем по одному проводу идет оригинальный сигнал, а по другому – его инверсная копия. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при

«0» – отрицательна.

Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе (дейст- вующую на оба провода линии одинаково). Так, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего («земли»), как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающей наводки «земли». Кроме того, на сопротивлении

длинной «земли» будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искаже- ний. При дифференциальной же передаче искажения не происходит, поскольку, если два провода пролегают близко друг к другу (к тому же перевиты), то наводка на оба провода одинакова. По- тенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информатив- ная разность потенциалов остается без изменений.

Существуют два варианта интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 – полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 – полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с раз-

делением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в

_{режиме приема.}

Стандартные параметры интерфейсов	RS-422	RS-485
Допустимое число передатчиков / приемников	1 / 10	32 / 32
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость связи	10 Мбит/с	10 Мбит/с
Диапазон напряжений "1" передатчика	+2...+10 В	+1.5...+6 В
Диапазон напряжений "0" передатчика	–2...–10 В	–1.5...–6 В
Диапазон синфазного напряжения передатчика	–3...+3 В	–1...+3 В
Допустимый диапазон напряжений приемника	–7...+7 В	–7...+12 В
Пороговый диапазон чувствительности приемника	±200 мВ	±200 мВ
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	150 мА	250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика	100 Ом	54 Ом
Входное сопротивление приемника	4 кОм	12 кОм
Максимальное время нарастания сигнала передатчика	10% бита	30% бита

Аппаратная реализация интерфейса – микросхемы приемопередатчиков с дифференциаль- ными входами/выходами (подключаемыми к линии) и цифровыми портами (подключаемыми к портам UART микроконтроллера).

D (driver) – передатчик; A – прямой дифференциальный вход/выход;

R (receiver) – приемник; B – инверсный дифференциальный вход/выход; DI (driver input) – цифровой вход передатчика; Y – прямой дифференциальный выход (RS-422); RO (receiver output) – цифровой выход приемника; Z – инверсный дифференциальный выход (RS-422) DE (driver enable) – разрешение работы передатчика;

RE (receiver enable) – разрешение работы приемника;

Для работы приемопередатчика RS-485 с микроконтроллером цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX), а цифровой вход передатчика (DI) – к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик со- единены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи – приемник. Для этого служат управляющие входы – разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне «0» – работа на прием, при «1» – на пе- редачу.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) перево- дит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но га- рантированный пороговый диапазон распознавания сигнала обычно составляет ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ – приемник определяет «1», когда UAB < –200 мВ – приемник определяет «0». Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения, пра- вильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Уровни сигналов. Интерфейс RS-485 использует балансную (дифференциальную) схему пе- редачи сигнала. Это означает, что уровни напряжений на сигнальных цепях А и В меняются в про- тивофазе, как показано на рисунке.

Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 В на холостом ходу. Уровни напря- жений – дифференциальные, то есть уровень одного сигнального провода относительно другого.

На стороне приемника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не

менее 200 мВ.

Схема подключения – приведена на рисунке, где изображена локальная сеть на основе ин-

терфейса RS-485, объединяющая несколько приемопередатчиков.

Лучшей средой передачи сигнала является кабель на основе витой пары. Концы кабеля должны быть заглушены терминальными резисторами (обычно 120 Ом). Сеть должна быть про- ложена по топологии шины, без ответвлений. Устройства следует подключать к кабелю провода- ми минимальной длины. Витая пара является оптимальным решением для прокладки сети, по- скольку обладает наименьшим паразитным излучением сигнала и хорошо защищена от наводок. В условиях повышенных внешних помех применяют кабели с экранированной витой парой, при этом экран кабеля соединяют с защитной «землёй» устройства.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы к одному про-

воду, инверсные – к другому, обычно называемые А и В. Переполюсовка не страшна, но устройст-

во работать не будет.

Согласование. При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина – конечная скорость распространения электромагнитных волн в проводниках (сущест- венно меньшая скорости света в вакууме, порядка 200 мм/нс). Электрический сигнал отражается от открытых концов линии передачи и ее ответвлений (аналогия – желоб, наполненный водой). Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остает- ся незамеченным. Если расстояние достаточно большое (от нескольких десятков метров), фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или сле- дующий сигнал, учитывая, что время реакции приемников – десятки нс. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения, для чего на удаленном конце линии, между проводниками витой па- ры включают резистор с номиналом, равным волновому сопротивлению линии. Электромагнитная волна, дошедшая до «тупика» поглощается на таком резисторе, называемым «согласующим» или

«терминатором».

Номинальное сопротивление согласующих резисторов для RS-485 соответствует волновому сопротивлению кабеля и для кабелей на основе витой пары обычно составляет 100 … 120 Ом (распространённый кабель UTP-5, используемый для прокладки Ethernet, имеет импеданс 100 Ом, специальные кабели для RS-485 – 120 Ом). Резисторы могут быть запаяны на контакты кабельных разъемов у конечных устройств. Иногда резисторы бывают смонтированы в самом устройстве и для подключения резистора нужно установить перемычку. В этом случае при отсоединении уст- ройства линия рассогласовывается, и для нормальной работы остальной системы требуется под- ключение согласующей заглушки.

Допустимая нагрузка драйвера RS-485/RS-422 количественно определяется в терминах еди- ничной нагрузки – входного импеданса одного стандартного приемника RS-485 (12 кОм). Стан- дартный драйвер RS-485 может управлять 32 единичными нагрузками (32 параллельно подклю- ченных нагрузки по 12 кОм). Выпускаются приемники с входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличе- но до, соответственно, 64, 128 или 256. Можно подключить любую комбинацию типов приемни- ков, если их параллельный импеданс не превышает 32 единичных нагрузки (т.е. суммарное сопро- тивление не меньше 375 Ом).

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Мак- симальное расстояние – 1200 м. Если необходимо организовать связь на большем расстоянии или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика, применяют специальные повторители (репитеры).

Защитное смещение. Как уже упоминалось, при напряжениях на входах приемников RS-485 в диапазоне –200 мВ … +200 мВ, выходное состояние остается неопределенным. То есть, если дифференциальное напряжение на стороне RS-485 в полудуплексной конфигурации равно 0 В и ни один из приемопередатчиков не ведет линию (или соединение разорвано), тогда логические «0» и «1» на выходе равновероятны. Для обеспечения определенного состояния на выходе в таких ус- ловиях, многие приемопередатчики RS-485 требуют установки резисторов защитного смещения: резистор задания начального высокого уровня (pullup) на одну линию (A) и низкого уровня (pulldown) на другую (B), как это показано на рисунке. Резисторы защитного смещения в боль- шинстве схем указываются номиналом 560 Ом, однако для снижения энергопотерь, когда согласо- вание производится только на одном конце линии связи, это значение можно увеличить до