Автоматизация / Автоматизация / RS-232_RS-485 / Стандарт RS-485
.pdf
Стандарт RS-485 |
Стр. 1 |
Главная Назад
во
фейс RS-232, RS-485.
RS-485 рекомендованный стандарт электрических характеристик генераторов и приемников для использования в балансных многоточечных системах.
ЯшкардинВладимир
www.softelectro.ru
2009 info@softelectro.ru
§1. Описание
RS-485 (Recommended Standard 485 или EIA/TIA-485-A) – рекомендованный стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи.
Совместная разработка ассоциаций: Electronic Industries Alliance (EIA) и Telecommunications Industry Association (TIA). Стандарт описывает только физические уровни передачи сигналов (т.е. только 1-й уровень модели взаимосвязи открытыхсистем OSI). Стандарт не описывает программную модель обмена и протоколы обмена. RS-485 создавался для расширения физическихвозможностейинтерфейса RS232 по передаче двоичных данных.
§2. Выпуски стандарта RS-485.
Название: Recommended Standard 485
Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Multipoint Systems
Электрические характеристики генераторов и приёмников для использования в балансных многоточечных системах.
Разработчик: Electronics Industries Association (EIA). Ассоциацияпромышленной электроники. Выпуски стандарта:
RS-485A (Recommended Standard 485 Edition: A) год выпуска 1983.
EIA 485-A год выпуска 1986.
TIA/EIA 485-A год выпуска 1998.
TIA/EIA 485-A год редакции 2003.
§3.Международные и национальные стандарты основанные на стандарте RS-485.
ISO/IEC 8482 (1993г. действующий)
Издатель: ISO, IEC
Название: Information technology - Telecommunications and information exchange between Systems - Twisted pair multipoint
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 2 |
interconnections.
Старые редакции:
ISO 8284 (1987г. не действующий)
ITU-T v.11 (1996г. действующий)
Издатель: INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION
Название: Electrical characteristics for balanced double-current interchange circuits opertiong at data signalling rates up to 10 Mbit/s.
Старые редакции:
ITU-T v.11 (1993г. не действующий) CCITT v.11 (1988г. не действующий)
ANSI/TIA-485-A (1998г. действующий)
Издатель: American National Standards Institute, ANSI
Название: Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems.
§4. Свойства интерфейса стандарта RS-485.
1.Двунаправленная полудуплексная передача данных. Потокпоследовательныхданныхпередаётся одновременно только в одну сторону, передача данныхв другую сторону требуетпереключения приёмопередатчика. Приёмопередатчикипринято называть "драйверами"(driver), это устройствоили электрическая цепь, котораяформируетфизический сигнал на стороне передатчика.
2.Симметричныйканал связи. Дляприёма/передачи данныхиспользуютсядва равнозначных сигнальныхпровода. Проводаозначаются латинскимибуквами "А" и "В". По этим двум проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использованиивитой пары симметричный канал существенно повышаетустойчивостьсигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения создаваемыеполезнымсигналом.
3.Дифференциальный (балансный способ передачи данных). При этом способе передачи данныхна выходе приёмопередатчика изменяется разностьпотенциалов, при передаче "1" разностьпотенциалов между AB положительная при передаче "0" разностьпотенциалов между AB отрицательная. То есть, ток между контактами А и В, при передачи "0" и "1", течёт (балансирует) в противоположныхнаправлениях.
4.Многоточечность. Допускает множественное подключение приёмников и приёмопередатчиковк одной линиисвязи. При этом допускаетсяподключение к линиитолько одногопередатчика в данный момент времени, и множествоприёмников, остальные передатчики должныожидать освобождения линиисвязи для передачи данных.
5.Низкоимпендансный выход передатчика. Буферный усилитель передатчика имеет низкоомныйвыход, что позволяет передавать сигнал ко многим приёмникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32-м приёмникам на одинпередатчик. Кроме этого, токовый сигнал используется для работы "витой пары" (чембольше рабочийток "витой пары", темсильнее она подавляетсясинфазные помехина линиисвязи).
6.Зона нечувствительности. Еслидифференциальный уровень сигнала между контактами АВне превышает ±200мВ, то считается, что сигнал в линииотсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.
§5. Технические характеристики RS-485.
Допустимое число приёмопередатчиков (драйверов) 32
Максимальнаядлиналиниисвязи 1200 м (4000ft)
Максимальнаяскоростьпередачи 10 Мбит/с
Минимальныйвыходной сигнал драйвера ±1,5 В
Максимальный выходной сигнал драйвера ±5 В 
Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 3 |
Выходноесопротивление драйвера 54 Ом 
Входноесопротивление драйвера 12 кОм
Допустимое суммарное входноесопротивление 375 Ом
Диапазон нечувствительности к сигналу ±200 мВ
Уровень логической единицы (Uab) >+200 мВ 
Уровень логического нуля (Uab) <-200 мВ
Входноесопротивление для некоторых приёмников можетбытьболее 12 кОм (единичная нагрузка). Например, 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или 96 кОм (1/8), что позволяет увеличить количество приёмников до 128 или 256. При разных входных сопротивленияхприёмников необходимо, чтобы общее входноесопротивление не было меньше 375 Ом.
§6. Описание работы RS-485.
Так как стандарт, RS-485 описывает только физический уровень процедурыобмена данными, то все проблемы обмена, синхронизациии квитирования, возлагаются на болеевысокийпротоколобмена. Как мы ужеговорили, наиболее часто, это стандарт RS-232 или другие верхние протоколы (ModBus , DCON и т.п.).
Сам RS-485 выполняет только следующиедействия:
1.Преобразуетвходящуюпоследовательность "1" и "0" в дифференциальный сигнал.
2.Передает дифференциальный сигнал в симметричнуюлинию связи.
3.Подключает илиотключает передатчикдрайвера по сигналу высшегопротокола.
4.Принимает дифференциальный сигнал с линиисвязи.
Еслиподключитьосциллографк контактамА-В (RS-485) и контактам GND-TDx(RS-232), то выне увидите разницы в форме сигналовпередаваемых в линиях связи. На самом деле, форма сигнала RS-485 полностью повторяетформу сигнала RS-232, заисключением инверсии ( в RS-232 логическая единица передается напряжением -12 В, а в RS-485 +5 В).
Рис.1 Форма сигналов RS-232 и RS-485 припередаче двух символов "0" и "0".
Как видно из рис.1 происходит простое преобразование уровней сигнала по напряжению.
Хотя форма сигналоводинаковаяу выше указанныхстандартов, но способ их формированияи мощность сигналовразличны.
Рис.2 Формированиесигналов RS-485 и RS-232
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 4 |
Преобразование уровней сигналови новыйспособ их формированияпозволил решитьряд проблем, которые в своё время не былиучтены при созданиистандарта RS-232.
Преимущества физическогосигнала RS-485 перед сигналом RS-232
1.Используется однополярныйисточник питания +5В, который используется для питания большинства электронных приборов и микросхем. Это упрощает конструкциюи облегчает согласование устройств.
2.Мощностьсигнала передатчика RS-485 в 10 разпревосходит мощностьсигнала передатчика RS-232. Это позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников и таким образом вести широковещательную передачу данных.
3.Использование симметричных сигналов, у которойимеетсягальваническаяразвязка с нулевым потенциалом питающей сети. В результате исключено попадание помехипо нулевому проводу питания (как в RS-232). Учитывая возможность работы передатчика на низкоомную нагрузку, становитсявозможнымиспользовать эффект подавления синфазныхпомех с помощьюсвойств "витой пары". Это существенно увеличивает дальностьсвязи. Кроме этогопоявляетсявозможность "горячего" подключения приборак линиисвязи (хотяэто не предусмотрено стандартом RS-485). Заметим что в RS-232 "горячее" подключение прибораобычно приводитк выходу из строяСОМ порта компьютера.
Описание обмена данными по стандарту RS-485:
Каждыйприёмопередатчик (драйвер) RS-485 можетнаходиться в одном из двух состояний: передача данных илиприёмданных. Переключение драйвера RS-485 происходит с помощьюспециальногосигнала. Например, на рис.3 показанобмен данными с использованием преобразователяАС3 фирмы Овен. Режим преобразователяпереключаетсясигналом RTS. Если RTS=1 (True) АС3 передает данные, которые поступаютк нему от СОМпорта в сеть RS-485. При этом все остальные драйверыдолжнынаходиться в режиме приёма (RTS=0). По сути дела RS-485 является двунаправленным буферным мультиплексированным усилителем для сигналов RS-232.
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 5 |
Рис.3 Примериспользования преобразователяОвен АС3.
Ситуация когда в одно время будет работать болееодногодрайвера RS-485 в режиме передатчика приводитк потере данных. Эта ситуацияназывается "коллизией". Чтобыколлизии не возникалив каналах обмена данными необходимо использовать болеевысокие протоколы (OSI). Такиекак MODBUS, DCON, DH485 и др. Либо программы, которые напрямую работаютс RS-232 и решаютпроблемы коллизий. Обычно этипротоколы называют 485-тымипротоколами. Хотя на самом деле, аппаратной основой всех этихпротоколов служит, конечно, RS-232. Он обеспечиваетаппаратную обработкувсегопотока информации. Программную обработкупотокаданных и решение проблем с коллизиямизанимаются протоколы высшегоуровня (Modbus и др.) и ПО.
Основные принципы реализации протоколов верхнего уровня (типа MODBUS)
Краткорассмотрим этипротоколы, хотяонине имеют отношениек стандарту RS-485. Обычно протокол верхнего уровня включаетв себя пакетную, кадровую или фреймовую организациюобмена. То есть, информацияпередаётся логически завершенными частями. Каждыйкадр обязательно маркируется, т.е. обозначается его начало и конец специальнымисимволами. Каждыйкадр содержит адрес прибора, команду, данные, контрольную сумму, которые необходимыдля организации многоточечного обмена. Чтобыизбежать коллизий обычно применяютсхему "ведущий"(master)-"ведомый"(slave). "Ведущий" имеет правосамостоятельно переключать свойдрайвер RS-485 в режим передачи, остальные драйверы RS-485 работаютв режиме приёма и называются "ведомыми". Чтобы "ведомый" начал предавать данныев линию связи "ведущий" посылает емуспециальную команду, котораядаетприборус указаннымадресом правопереключитьсвойдрайверв режим передачи на определенноевремя.
После передачи разрешающей команды "ведомому", "ведущий" отключает свойпередатчики ждетответа "ведомого" в течение промежутка времени, который называется "таймаут". Еслив течении таймаута ответ от "ведомого" не получен, то "ведущий" сновазанимает линию связи. В роли "ведущего" обычно выступаетпрограмма, установленная на компьютер. Существуют и болеесложная организация пакетных протоколов, котораяпозволяет циклически предавать роль "ведущего" от приборак прибору. Обычно такие приборы называют "лидерами", либо говорятчто приборы передают "маркер". Владение "маркером" делаетприбор "ведущим", но он должен будет обязательно передатьего другому приборусети по определённому алгоритму. В основном, указанныевыше протоколы, отличаются по этим алгоритмам.
Как мы видим, верхние протоколы имеют пакетную организациюи выполняютсяна программном уровне, они позволяют решитьпроблему с "коллизиями" данных и многоточечную организациюобмена данными.
§7. Реализация приемопередатчиков(драйверов) RS-485.
Многие фирмы изготовляютприемопередатчики RS485. Называютих обычно конверторы RS232 - RS485 или преобразователи RS232-RS485. Дляреализации этихприборов выпускается специальные микросхемы. Рольэтихмикросхем сводится к преобразованию уровней сигналов RS232C к уровню сигналов RS485 (TTL/CMOS) и обратно, а также обеспечение работы полудуплексного режима.
По способу переключения в режим передачи различают приборы:
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 6 |
1.Переключающиеся с помощьюотдельного сигнала. Дляперехода в режим передачи необходимо выставить активный сигнал на отдельномвходе. Обычно это сигнал RST (СОМпорта). Эти приемопередатчикисейчас редко встречаются. Но, темне менее, онииногда не заменимы. Допустим нужнопрослушивать обмен данными между контроллерамипромышленного оборудования. При этом, ваш приёмопередатчик не должен переходить в режим передачи, чтобы не создать коллизиюв данной сети. Использование приёмопередатчика с автоматическимпереключением здесь не допустимо. ПримертакогоконвертераОвен АС3.
2.С автоматическимпереключением и без проверки состояния линии. Наиболее распространённые конверторы, которые переключаются автоматически при появлениина их входе информационного сигнала. При этом онине контролируют занятость линиисвязи. Эти конверторы требуют осторожногоприменения из-завысокой вероятностивозникновенияколлизий. Примерконвертора Овен АС3М.
3.С автоматическимпереключением и с проверкой состояния линии. Наиболее продвинутые конверторы, которые могут передавать данныев сетьтолько приусловии, что сетьне занятадругими приёмопередатчиками и на входе имеетсяинформационныйсигнал.
Аппаратнаяреализация RS485 на примере преобразователя RS232-RS485 АС3 Овен.
Рис.4 Принципиальнаясхема АС3 Овен.
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 7 |
На рис.4 представленапринципиальнаясхема преобразователяАС3 Овен. Этотпреобразовательимеет отдельныйсигнал для включения режима передачи данных. В качестве управляющего сигнала используется выходной сигнал СОМпорта RST. Если RST=1 (+12В) преобразовательпередает данныес TD (Сом порта) в сеть RS485, если RST=0 (-12 В), то данныепринимаются из сети RS-485 на вход RD (СОМ порта). Преобразовательработаетот промышленной сети переменного тока напряжением 220 вольт. Блок питания преобразователявыполнен по импульсной схеме на базе микросхемы ТОР232N (DA1). Блок питания выдает два независимых напряжения +5В. Дляприёма и преобразованияполярныхсигналов RS232 (±12 В) в однополярные сигналы TTL/CMOS уровня (+5 В) используется микросхема MAX232N
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 8 |
(DD1). Данная микросхема интересна тем, что она питается от однополярного напряжения +5 В и имеет встроенные источникинапряжения, которые необходимыдля работы с полярными сигналами ±12 В. Для правильнойработы встроенных источников напряженияк микросхеме MAX232N подключаютвнешние конденсаторы С14,С15,С17,С18. Кроме этогомикросхема имеет по два преобразователяуровней сигналов RS-232C к TTL/CMOS в обоих направлениях.
Назначение сигналов:
RST -для переключения преобразователяв режим передачи/приёма TD -передача данныхиз RS232 в RS485
RD -приёмданныхв RS232 из RS485
Далеесигналы RS232 преобразованные к уровню TTL/CMOS подаютсяна оптопары 6N137, которые осуществляют гальваническую развязку сигналов RS232 и RS485. Дляпередачи/приёма данных на стороне интерфейса RS485 используется микросхема DS75176 (многоточечныйтрансивер RS485). Данная микросхема запитанаот отдельного источника напряжением +5 В. Микросхема представляет собой усилитель сигналов TTL/COMOS уровня с переключением направленияпередачи. Выходы DS75176 подключаются к контактамА и В через сопротивления 100 Ом, что обеспечиваетток короткого замыкания А-В в 250мА . Мощностьсигнала RS485 примерно в 10 разпревышаетмощностьсигналов RS232. Эта микросхема усиливает сигнал до нужной мощности и обеспечиваетполудуплексный режим работы.
§8. Топология сети RS-485
Сеть RS-485 строится по последовательной шиной(bus) схеме, т.е. приборы в сети соединяются последовательно симметричными кабелями. Концылинийсвязи при этом должныбытьнагружены согласующими резисторами- "терминаторами"(terminator), величина которыхдолжна бытьравна волновому сопротивлению кабеля связи.
Терминаторы выполняют следующиефункции:
Уменьшают отражениесигнала от конца линиисвязи.
Обеспечивают достаточныйток через всю линию связи, что необходимо для подавления синфазной помехис помощьюкабеля типа "витая пара".
Рис.5 Топология сети RS485
Еслирасстояние сегмента сети превышает 1200 м иликоличество драйверов в сегменте более 32 штук, нужноиспользовать повторитель (repeater), для создания следующегосегмента сети. При этом каждый
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 9 |
сегмент сети должен бытьподключен к терминаторам. Сегментомсети при этом считаетсякабельмежду крайним прибороми повторителем или между двумя повторителями.
Стандарт RS-485 не определяет, какойтип симметричного кабеля нужноиспользовать, но де-факто используют кабельтипа "витая пара" с волновымсопротивлением 120 Ом.
Рис.6 Промышленныйкабель Belden 3106A для сетей RS485
Рекомендовано использовать промышленныйкабель Belden3106A для прокладки сетей RS485. Данный кабельимеет волновое сопротивление 120 Ом и двойнойэкранвитой пары. Кабель Belden3106A содержит 4 провода. Оранжевыйи белый проводпредставляют собой симметричную экранированную витую пару. Синий проводкабеля используется для соединения нулевого потенциала источников питания приборов в сети и называется "общий"(Common). Проводбез изоляции используется для заземления оплетки кабеля и называется "дренажный" (Drain). В сегменте сети дренажный проводзаземляется через сопротивление на шассиприбора, с одногоиз концовсегмента, чтобы не допустить протекания блуждающихтоковчерез оплетку кабеля, приразном потенциале земли в удалённыхточках.
Обычно сопротивлениятерминаторов и защитногозаземления находится внутри прибора. Необходимо правильно подключитьих с помощьюперемычек или переключателей. В технической документации фирмы изготовителя приборов необходимо найти описание этихподключений.
Например, на рис.7 показанырекомендации фирмы Allen Bradley по подключению кабеля Belden3106A к приборам 1747-AIC (Link Coupler) использующихся для соединения контроллеров SLC в сеть DH-485.
Рис.7 Схема подключения 1747-AIC (Allen Bradley)
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28
Стандарт RS-485 |
Стр. 10 |
На рис.7 показанысоединения кабеля с промежуточными приборами сегмента сети. Дляпервого приборав сегменте сети DH-485 необходимо установитьперемычку 5-6 (она подключает терминатор 120 Ом, который находится внутри прибора 1747-AIC) и перемычку 1-2 (подключает дренажный проводк шасси приборачерез внутреннее сопротивление). Дляпоследнего приборав сегменте сети нужноустановить только перемычку 5-6 (подключитьтерминатор)
При использованиидругихсимметричных кабелей, в особенности, когда не известноих волновое сопротивление, величину терминаторов подбираютопытным путем. Дляэтогонеобходимо установить осциллографв середину сегмента сети. Контролируя форму прямоугольныхимпульсовпередаваемых однимиз драйверов можно сделать вывод о необходимостикорректировки величинысопротивления терминатора.
Рис.8 Несогласованная сеть RS-485 (без терминатора) и ееитоговая форма сигнала (слева) по сравнениюс сигналом, полученным на правильно согласованнойсети (справа)
Рис.9 Терминаторустановлен в середине сегмента сети RS-485
file://localhost/C:/Documents%20and%20Settings/Andrew/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D... 20.10.2013 2:20:28