Интерфейс связи rs 485 что. Физические интерфейсы RS485 и RS422. Что нужно учитывать

RS-485 представляет собой стандарт, который был впервые принят в Ассоциации электронной промышленности. На сегодняшний момент данный стандарт рассматривает электрические характеристики всевозможных приемников и передатчиков, использующихся в различных балансных цифровых системах.

Что он собой представляет?

Среди специалистов RS-485 представляет собой название достаточно популярного интерфейса, который активно используется в различных промышленных АСУТП для соединения нескольких контроллеров, а также множества других устройств между собой. Главным отличием данного интерфейса от не менее распространенного RS-232 является то, что он предусматривает объединение одновременно нескольких видов оборудования.

При помощи RS-485 обеспечивается скоростной обмен информацией между несколькими устройствами через единственную двухпроводную линию связи в полудуплексном режиме. Его достаточно широко используют в современной промышленности в процессе формирования АСУТП.

Дальность и скорость

При помощи данного стандарта достигается транслирование информации на скорости до 10 Мбит/с, при этом предельно возможная дальность будет непосредственно зависеть от того, с какой скоростью транслируются данные. Таким образом, для обеспечения предельной скорости данные могут передаваться не далее чем на 120 метров, в то время как при скорости 100 кбит/с информация транслируется более чем на 1200 метров.

Количество объединяемых устройств

Количество устройств, которые может объединять в себе интерфейс RS-485, будет непосредственно зависеть от того, какие в устройстве используются приемопередатчики. Каждый передатчик рассчитан на одновременное управление 32 стандартными приемниками, однако при этом нужно понимать, что есть приемники, входное сопротивление которых составляет 50 %, 25 % или даже еще меньшую часть от стандартного, и в случае использования такого оборудования общее количество устройств будет увеличиваться соответственно.

Разъемы и протоколы

Кабель RS-485 не нормирует какой-то определенный формат информационных кадров или же протокол обмена. В преимущественном большинстве случаев для применяются точно такие же фреймы, которые использует RS-232, то есть биты данных, стоповый и стартовый биты, а также бит паритета в случае необходимости.

Работа протоколов обмена в большинстве современных систем осуществляется по принципу «ведущий-ведомый», то есть какое-то устройство в сети является ведущим и берет на себя инициативу обмена посылкой запросов между всеми подчиненными устройствами, различающимися между собой по логическим адресам. Наиболее популярным протоколом на сегодняшний день является Modbus RTU.

Стоит отметить, что кабель RS-485 не имеет также какого-то определенного типа соединителей или же распайки, то есть могут встречаться клеммные соединители, DB9 и другие.

Подключение

Чаще всего с применением данного интерфейса встречается локальная сеть, объединяющая в себе одновременно несколько приемопередатчиков.

Осуществляя подключение RS-485, нужно грамотно объединять между собой сигнальные цепи, называемые обычно А и В. В данном случае переполюсовка является не такой страшной, просто подключенные устройства не будут работать.

Используя интерфейс RS-485, вам следует учитывать несколько особенностей его работы:

Наиболее оптимальная среда для передачи сигнала - это кабель на основе витой пары.
Концы кабеля в обязательном порядке нужно заглушить при помощи специализированных терминальных резисторов.
Сеть, в которой используется стандартный или USB RS-485, должна пролагаться без каких-либо ответвлений по
Устройства должны быть подключены к минимально возможной длины.

Согласование

При помощи терминальных резисторов стандартный или USB RS-485 обеспечивает полноценное согласование открытого конца кабеля с последующей линией, полностью исключая возможность отражения сигнала.

Номинальное сопротивление резисторов является соответствующим волновому сопротивлению кабеля и для тех кабелей, которые основываются на витой паре, в преимущественном большинстве случаев составляет приблизительно 100-120 Ом. К примеру, достаточно популярный на сегодняшний день кабель UTP-5, активно использующийся в процессе прокладки Ethernet, имеет волновое сопротивление 100 Ом. Для других вариантов кабеля может использоваться и какой-нибудь другой номинал.

Резисторы в случае необходимости могут запаиваться на контактах кабельных разъемов уже в конечных устройствах. Редко резисторы устанавливаются в самом устройстве, вследствие чего для подключения резистора приходится устанавливать перемычки. В данном случае, если осуществляется отключение устройства, линия полностью рассогласовывается. И для того чтобы обеспечить нормальную работу всей остальной системы, нужно подключить согласующую заглушку.

Уровни сигналов

Порт RS-485 использует балансную схему транслирования данных, то есть уровни напряжения на сигнальных цепях А и В будут изменяться в противофазе.

При помощи датчика должен обеспечиваться уровень сигнала 1.5 В при предельной нагрузке, а также не более 6 В в том случае, если устройство работает на холостом ходу. Уровень напряжения измеряется дифференциально, каждый сигнальный провод относительно другого.

Там, где находится приемник, минимальный уровень принимаемого сигнала в любом случае должен находиться на уровне не меньше 200 мВ.

Смещение

В том случае, если отсутствует сигнал на сигнальных цепях, происходит незначительное смещение, которым обеспечивается защита приемника от случаев ложного срабатывания.

Специалисты рекомендуют осуществлять смещение немного больше 200 мВ, так как данное значение является соответствующим зоне недостоверности входного сигнала по стандарту. В данном случае цепь А подтягивается к положительному полюсу источника, в то время как цепь В подтягивается к общему.

Пример

В соответствии с необходимым смещением и напряжением источника питания осуществляется расчет К примеру, если нужно получить смещение на уровне 250 мВ при использовании терминальных резисторов R T = 120 Ом при том, что источник имеет напряжение 12 В. Учитывая, что в данном случае два резистора включены параллельно друг другу и при этом абсолютно не берут во внимание нагрузку со стороны приемника, ток смещения составляет 0.0042 А, в то время как общее сопротивление цепи смещения составляет 2857 Ом. R см в данном случае будет составлять приблизительно 1400 Ом, поэтому нужно выбрать какой-нибудь ближайший номинал.

В качестве примера будет использоваться резистор 1.5 кОм, предназначенный для смещения, а также внешний резистор на 12 вольт. Помимо этого, в нашей системе присутствует развязанный выход блока питания контроллера, представляющий собой ведущее звено в своем сегменте цепи.

Конечно, есть масса других вариантов реализации смещения, в которых используется преобразователь RS-485 и другие элементы, но в любом случае, осуществляя размещение цепей смещения, нужно учитывать то, что узел, который будет его обеспечивать, периодически будет выключаться или даже в конечном итоге может быть полностью удален из сети.

Если присутствует смещение, то в таком случае потенциал цепи А на полностью холостом ходу является положительным по отношению к цепи В, что является ориентиром, если будет подключаться новое устройство к кабелю без маркировки проводов.

Неправильная разводка и искажения

Выполнение указанных выше рекомендаций позволяет добиться нормальной передачи электрических сигналов в различные точки сети, если в качестве основы используется протокол RS-485. Если будет не соблюдено хотя бы какое-то из требований, будут возникать искажения сигнала. Наиболее заметные искажения начинают появляться в том случае, если скорость обмена данными превышает 1 Мбит/с, однако на самом деле даже в случае меньших скоростей крайне не рекомендуется пренебрегать указанными рекомендациями, даже если сеть «и так нормально работает».

Как программировать?

В процессе программирования различных приложений, работающих с устройствами, использующими разветвитель RS-485 и другие устройства с данным интерфейсом, нужно учитывать несколько важных моментов. Перечислим их:

Перед тем как будет начинаться выдача посылки, нужно в обязательном порядке активировать передатчик. Несмотря на то что по информации определенных источников выдача может осуществляться сразу же после включения, некоторые эксперты рекомендуют первоначально выдержать паузу, которая по времени будет равна скорости передачи одного фрейма. В данном случае корректная программа приема успеет полностью определить ошибки переходного процесса, проведет процедуру нормализации и подготовится к последующему приему данных.
После того как будет выдан последний байт данных, также рекомендуется выдержать паузу перед тем, как отключать RS-485 устройство. В частности, это связано с тем, что в контроллере последовательного порта зачастую присутствует одновременно два регистра, первый из которых является параллельным входным и предназначается для приема данных, в то время как второй является сдвиговым выходным и используется для последовательного вывода. Любые прерывания по передаче контроллером формируются в случае опустошения входного регистра, когда информация уже была предоставлена в сдвиговый регистр, но еще не была выдана. Именно по этой причине после того, как будет прервана трансляция, нужно выдержать определенную паузу перед отключением передатчика, которая должна быть по времени приблизительно больше на 0.5 бита, чем фрейм. Для осуществления более точных расчетов рекомендуется детально изучить техническую документацию используемого контроллера последовательного порта.
Так как передатчик, приемник и, возможно, конвертер RS-485 подключены к единственной линии, собственный приемник будет воспринимать также передачу, осуществляемую собственным передатчиком. Нередко случается так, когда в системах, характеризующихся произвольным доступом к линии, данная особенность используется в процессе проверки отсутствия столкновения между двумя передатчиками. В стандартных системах, работающих в соответствии с принципом «ведущий-ведомый», в процессе передачи рекомендуется полностью закрывать прерывания от приемника.

Конфигурация формата «шина»

Данный интерфейс предусматривает возможность объединения устройств по формату «шина», когда все устройства объединяются при помощи единственной пары проводов. В данном случае линия связи в обязательном порядке должна согласовываться оконечными резисторами двух концов.

Для обеспечения согласования в данном случае устанавливаются резисторы, характеризующиеся сопротивлением 620 Ом. Они устанавливаются всегда на первом и последнем устройстве, подключенном к линии. В преимущественном большинстве современных устройств присутствует также встроенное согласующее сопротивление, которое в случае необходимости можно включить в линию посредством установки специальной перемычки на плату прибора.

Так как в состоянии поставки перемычки изначально установлены, нужно первоначально снять их со всех устройств, соответственно, кроме первого и последнего, подключенных к линии. В преобразователях-повторителях модели С2000-ПИ для каждого отдельного выхода согласующее сопротивление включается с помощью переключателя, в то время как устройства С2000-КС, а также С2000-К характеризуются встроенным согласующим сопротивлением, вследствие чего перемычка, необходимая для его подключения, отсутствует.

Для того чтобы обеспечить более длинную линию связи, рекомендуется использовать специализированные повторители-ретрансляторы, оснащенные полностью автоматическим переключением направления передачи.

Конфигурация формата «звезда»

Любые ответвления в линии RS-485 являются нежелательными, потому что в данном случае появляется достаточно сильное искажение сигнала, однако с практической точки зрения их можно допустить в том случае, если присутствует небольшая длина ответвления. В данном случае не требуется установка согласующих резисторов на отдельных ответвлениях.

В распределительной системе RS-485, управление которой осуществляется с пульта, если последний и устройства подключены к одной линии, но питаются от разных источников, нужно будет объединять цепи 0 В всех устройств и пульта для того, чтобы обеспечить выравнивание их потенциалов. Если данное требование не будет соблюдено, то в таком случае пульт может иметь неустойчивую связь с устройствами. Если будет использоваться кабель с несколькими витыми парами проводов, то в таком случае для цепи выравнивания потенциалов при необходимости может использоваться полностью свободная пара. Помимо всего прочего, предусматривается также возможность применения экранированной витой пары в том случае, если отсутствует заземление экрана.

Что нужно учитывать?

В преимущественном большинстве ток, который проходит по проводу выравнивания потенциалов, является достаточно маленьким, однако в том случае, если 0 В устройств или же самих источников питания будут подключаться к нескольким локальным шинам заземления, разность потенциалов между различными цепями 0 В может составлять несколько единиц, а в некоторых случаях даже десятков вольт, в то время как ток, протекающий по цепи выравнивания потенциалов, может являться довольно значительным. Именно это является частой причиной того, что присутствует неустойчивая связь между пультом и устройствами, вследствие чего они даже могут выходить из строя.

Именно по этой причине нужно исключить возможность заземления цепи 0 В или же, как максимум, заземлять данную цепь в какой-то определенной точке. Также нужно учитывать возможность взаимосвязи между 0 В и цепью защитного заземления, присутствующей в том оборудовании, которое используется в системе ОПС.

На объектах, для которых характерна достаточно тяжелая электромагнитная обстановка, предусматривается возможность подключения данной сети через кабель "экранированная витая пара". В данном случае может присутствовать меньшая предельная дальность, так как емкость кабеля является более высокой.

Все устройства RS-485 устанавливаются на одну шину. Шина использует две линии для данных (A и B ), при этом часто удобно также проложить две линии для питания - GND и +12V (или другое напряжение питания).

Провод A на всех устройствах подключается к клеммнику с маркировкой А, провод B - всегда к B.

Необходимо использовать кабель парной скрутки: данные RS-485 (линии A и B) должны образовывать витую пару. Если этот же кабель используется для питания устройств, то необходимо обращать внимание и на сечение проводников: падение напряжения на длинной линии может привести к тому, что устройства не будут работать. Наконец, стоит выбирать экранированный кабель.

При монтаже удобно использовать кабель с гибкими жилами. Примеры приведены ниже:

Название	Гибкий	Сечение проводников (мм^2)	Парной скрутки	Экран	Примерная цена, $/m	Примечание
ParLan Patch F/UTP 4х2х0,60	да	0.2	да	алюмополимерная лента	0.5	для питания использовать две отдельных пары
КСПЭВГ 2x2x0.35	да	0.35	да	алюмополимерная лента	0.4	только под заказ
КДВЭВГ 2х2х0,50	да	0.5	да	оплётка	1
КДВЭВГ 2х2х0,35	да	0.35	да	оплётка	0.8
КИС-В 2х2х0,60	да	0.6	да	оплётка	1.1

Также для прокладки шины можно использовать обычную витую пару CAT5 для Ethernet - для неё ниже дана стандартная схема подключения (обычное волновое сопротивление такого кабеля составляет 100 Ом).

Использование сетевого кабеля 5 категории для прокладки шины RS-485

Сигнал шины RS-485	Провод
данные A	бело-зелёный
данные B	зелёный
питание (12В или другое)	оранжевый
питание (12В или другое)	бело-оранжевый
не используется	синий
не используется	бело-синий
земля питания (GND)	бело-коричневый
земля питания (GND)	коричневый

При подключении внешних устройств к Wiren Board по шине RS-485, нужно соединять не только линии передачи данных A и B, но и земли (общий провод) контроллера Wiren Board и внешних устройств. Подключение общего провода необходимо в случае подключения к неизолированному порту RS-485 и рекомендуется в случае подключения к гальванически изолированному порту.

Клемма общего провода обозначается, в зависимости от оборудования, как SC, SG, G, GND, ground или reference. На контроллерах Wiren Board эта клемма обозначена как GND. При подключении к изолированному порту, нужно подключаться к изолированной земле данного порта (клеммы "GND iso").

Если ваша шина длинее 100 метров, на её конце желательно установить терминальный резистор (примерно 150 Ом, подробнее в Википедии). При длинных линиях существуют также рекомендации терминировать с обоих концов неиспользуемые проводники кабеля.

Подключение устройств

Наконечники для шины RS-485

Провод A на всех устройствах подключается к клеммнику с маркировкой А, провод B - всегда к B. На Wiren Board рядом с клеммниками А и В расположены клеммники GND и Vout - можно сразу подключить линии питания (сначала проверьте требования к питанию ваших устройств!).

Лайфхак: так как внутри Wiren Board стоит растяжка линий, после подключения его к шине напряжение на линии A будет больше чем на B примерно на 0.5 В. Поэтому подключая периферийные устройства вы легко можете определить линии шины вольтметром. Но, конечно, цветовое кодирование проводников более предпочтительно.

Дополнительная информация

Дифференциальная линия дает хорошую помехозащищенность. Длина линии до 1200 метров.
При прокладке шины нужно соблюдать определённые правила , но для передачи в одной квартире подойдёт любой кабель и даже возможны ответвления.

2. Интерфейс RS-485
4. Защитное смещение
6. «Горячее» подключение к линии связи
7. Рекомендации по организации протокола связи
Заключение

Вступление

Как следует из названия, статья эта - попытка объяснить начинающим что к чему и помочь обойти грабли, на которые уже кто-то наступал. Если кто-нибудь, потратив 15 минут на прочтение, сэкономит пару дней на отладке системы, я буду считать свою задачу выполненной.

Столкнувшись с необходимостью организовать связь между несколькими устройствами на базе микроконтроллеров, я стал собирать информацию по этой теме. Из конструктивных соображений определился с методом связи - последовательный канал и линия связи на основе интерфейса RS-485. Затем последовал отсев излишних теоретических рассуждений и отбор практических рекомендаций по наладке линии связи. Особое внимание я уделял описанию различных "подводных камней". На бумаге, как известно, всегда все работает, а вот на практике вскрываются неприятные особенности, притом нигде не описанные. Так и оказалось - сделали все по инструкции, а потом не одну неделю отлавливали глюки.

В этой статье я попытался собрать начальную информацию об устройствах, полезные добытые сведения (с ссылками) и собственный опыт.

1. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART)

Возможно, связь через асинхронный последовательный порт уходит в прошлое, однако сложно найти контроллер, не имеющего в составе своей периферии UART. Поэтому хоронить его, думаю, рановато. Раз так, то будет нелишним сказать пару слов о том, как оно работает. Описание конкретной реализации последовательного порта есть в datasheet на каждый контроллер, поэтому опишу общее для всех.

UART можно разделить на приемник (Receiver) и передатчик (Transmitter). В состав UART входят: тактовый генератор связи (бодрейт-генератор), управляющие регистры, статусные регистры, буферы и сдвиговые регистры приемника и передатчика. Бодрейт-генератор задает тактовую частоту приемопередатчика для данной скорости связи. Управляющие регистры задают режим работы последовательного порта и его прерываний. В статусном регистре устанавливаются флаги по различным событиям. В буфер приемника попадает принятый символ, в буфер передатчика помещают передаваемый. Сдвиговый регистр передатчика - это обойма, из которой в последовательный порт выстреливаются биты передаваемого символа (кадра). Сдвиговый регистр приемника по биту накапливает принимаемые из порта биты. По различным событиям устанавливаются флаги и генерируются прерывания (завершение приема/отправки кадра, освобождение буфера, различные ошибки).

UART - полнодуплексный интерфейс, то есть приемник и передатчик могут работать одновременно, независимо друг от друга. За каждым из них закреплен порт - одна ножка контроллера. Порт приемника обозначают RX, передатчика - TX. Последовательной установкой уровней на этих портах относительно общего провода ("земли") и передается информация. По умолчанию передатчик устанавливает на линии единичный уровень. Передача начинается посылкой бита с нулевым уровнем (старт-бита), затем идут биты данных младшим битом вперед (низкий уровень - "0", высокий уровень - "1"), завершается посылка передачей одного или двух битов с единичным уровнем (стоп-битов).

Электрический сигнал кадра посылки выглядит так:

Перед началом связи между двумя устройствами необходимо настроить их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра.

Скорость связи или бодрейт (baudrate) измеряется в бодах - число передаваемых бит в секунду (включая старт и стоп-биты). Задается эта скорость в бодрейт-генераторе делением системной частоты на задаваемый коэффициент. Типичный диапазон скоростей: 2400 … 115200 бод.

Формат кадра определяет число стоп-битов (1 или 2), число бит данных (8 или 9), а также назначение девятого бита данных. Все это зависит от типа контроллера.

Приемник и передатчик тактируются, как правило, с 16-кратной частотой относительно бодрейта. Это нужно для смплирования сигнала. Приемник, поймав падающий фронт старт-бита, отсчитывает несколько тактов и следующие три такта считывает (семплирует) порт RX. Это как раз середина старт-бита. Если большинство значений семплов - "0", старт-бит считается состоявшимся, иначе приемник принимает его за шум и ждет следующего падающего фронта. После удачного определения старт-бита, приемник точно также семплирует серединки битов данных и по большинству семплов считает бит "0" или "1", записывая их в сдвиговый регистр. Стоп-биты тоже семплируются, и если уровень стоп-бита не "1" - UART определяет ошибку кадра и устанавливает соответствующий флаг в управляющем регистре.

Поскольку бодрейт устанавливается делением системной частоты, при переносе программы на устройство с другим кварцевым резонатором, необходимо изменить соответствующие настройки UART.

2. Интерфейс RS-485

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого 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 разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.

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

Остановлюсь поподробнее на приемопередатчике RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, 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 передачу.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 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 - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбит/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).Стандартные параметры интерфейсов RS-422 RS-485:

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

3. Согласование и конфигурация линии связи

При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому - конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия - желоб, наполненный водой. Волна, созданная в одном конце, идет по желобу и, отразившись от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и так далее, пока не затухнет. Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако, время реакции приемников - десятки/сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения.

Наука Электротехника предлагает решение этой проблемы. У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар Zв=120 Ом. Оказывается, что если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна дошедшая до "тупика" поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия - согласующий резистор или "терминатор".

Большой минус согласования на резисторах - повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы уменьшить потребление тока, включая последовательно с согласующим резистором конденсатор для развязки по постоянному току. Однако, такой способ имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать. Подробнее можно почитать в статье "Обрежьте жирок с RS-485".

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии.

4. Защитное смещение

Как уже упоминалось, приемники большинства микросхем RS-485 имеют пороговый диапазон распознавания сигнала на входах A-B - ±200мВ. Если |Uab| меньше порогового (около 0), то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую "1", поддерживая, таким образом, уровень стопового бита.

Добиться этого просто - прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) - к "земле". Получается делитель:

Rвх - входное сопротивление приемника (обычно 12 кОм);

Rc - согласующие резисторы (120 Ом);

Rзс - резисторы защитного смещения.

Величины сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ. Напряжение питания - 5В. Сопротивление среднего плеча - 120Ом//120Ом//12КОм на каждый приемник - примерно 57 Ом (для 10 приемников). Таким образом, выходит примерно по 650 Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом - сопротивление Rзс должно быть меньше 650 Ом. Традиционно ставят 560 Ом.

Обратите внимание: в расчете номинала Rзс учитывается нагрузка. Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс должен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать сопротивление витой пары, которое может "съедать" часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты:

Безотказность в открытых цепях. (Open circuit failsafe.) В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы. Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение обеспечивается только для открытых (ненагруженных) дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако, если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120 Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60 Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому, если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае, остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

Истинная безотказность. (True failsafe.) В этих устройствах смещены сами пороги распознавания сигнала. Например: -50 / -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ. То есть при Uab>-50мВ на выходе приемника RO будет логическая "1", а при Uab<-200 - на RO будет "0". Таким образом, и в разомкнутой и в пассивной линии при разности потенциалов Uab близкой к нулю, приемник выдаст "1". Для таких приемопередатчиков внешнее защитное смещение не требуется. Тем не менее, для лучшей помехозащищенности все-таки стоит дополнительно немного подтягивать линию.

Сразу виден минус внешнего защитного смещения - через делитель постоянно будет протекать ток, что может быть недопустимо в системах малого потребления. В таком случае можно сделать следующее:

а). Уменьшить потребление тока, увеличив сопротивления Rзс. Хотя производители приемопередатчиков и пишут о пороге распознавания в 200мВ, на практике вполне хватает 100мВ и даже меньше. Таким образом, можно сразу увеличить сопротивления Rзс раза в два-три. Помехозащищенность при этом несколько снижается, но во многих случаях это не критично.

б). Использовать true failsafe приемопередатчики со смещенными порогами распознавания. Например, у микросхем MAX3080 и MAX3471 пороги: -50мВ / -200мВ, что гарантирует единичный уровень на выходе приемника при отсутствии смещения (Uab=0). Тогда внешние резисторы защитного смещения можно убрать или значительно увеличить их сопротивление.

в). Не применять без необходимости согласование на резисторах. Если линия не будет нагружена на 2 по 120 Ом, то для обеспечения защитного смещения хватит подтяжек в несколько килоом в зависимости от числа приемников на линии.

Для опторазвязанной линии подтягивать следует к питанию и "земле" изолированной линии. Если не применяется опторазвязка, подтягивать можно к любому питанию, так как делитель создаст лишь небольшую разность потенциалов между линиями A и B. Нужно только помнить о возможной разности потенциалов между "землями" устройств, расположенных далеко друг от друга.

5. Исключение приема при передаче в полудуплексном режиме

При работе с полудуплексным интерфейсом RS-485 (прием и передача по одной паре проводов с разделением по времени) можно забыть, что UART контроллера - полнодуплексный, то есть принимает и передает независимо и одновременно.

Обычно во время работы приемопередатчика RS-485 на передачу, выход приемника RO переводится в третье состояние и ножка RX контроллера (приемник UART) "повисает в воздухе". В результате, во время передачи на приемнике UART вместо уровня стопового бита ("1") окажется неизвестно что, и любая помеха будет принята за входной сигнал. Поэтому нужно либо на время передачи отключать приемник UART (через управляющий регистр), либо подтягивать RX к единице. У некоторых микроконтроллеров это можно сделать программно - активировать встроенные подтяжки портов.

Примечание: у микроконтроллера AT90S8535 (AVR Atmel) есть глючок - при отключенном UART он все равно принимает, и после включения на прием первый принятый байт может быть испорчен. Так что активировать подтяжку RX ему нужно обязательно.

6. "Горячее" подключение к линии связи

Насколько я знаю, спецификацией RS-485 не предусмотрено "горячее" подключение - включение новых приемопередатчиков в линию связи во время работы системы. Тем не менее, подобную операцию система переносит практически безболезненно, если учесть один нюанс. Это важно, когда питание на устройство подается в момент подключения, например, когда плата в виде кассеты вставляется в разъем. Дело в том, что во время любого сброса: по включению питания, по сигналу на входе "Reset", по срабатыванию сторожевого таймера - контроллеру требуется время на инициализацию, которое может составлять до нескольких десятков миллисекунд. Пока контроллер находится в состоянии сброса, он принудительно настраивает все порты на вход. Получается ситуация, при которой питание на микросхему приемопередатчика RS-485 уже подано, но входы разрешения приемника /RE и передатчика DE "висят в воздухе". В результате, приемопередатчик может по помехе открыться на передачу и все время пока микроконтроллер в отключке пускать в работающую линию мусор. Избежать этого легко - достаточно через резистор в несколько килоом подтянуть вход разрешения приемника /RE к нулю. Этим приемопередатчик сразу по включении питания настраивается на прием и не лезет на линию.

На физическом уровне линия связи готова к работе, однако, нужен еще и протокол - договоренность между устройствами системы о формате посылок.

По природе интерфейса RS-485 устройства не могут передавать одновременно - будет конфликт передатчиков. Следовательно, требуется распределить между устройствами право на передачу. Отсюда основное деление: централизованный (одномастерный) обмен и децентрализованный (многомастерный).

В централизованной сети одно устройство всегда ведущее (мастер). Оно генерирует запросы и команды остальным (ведомым) устройствам. Ведомые устройства могут передавать только по команде ведущего. Как правило, обмен между ведомыми идет только через ведущего, хотя для ускорения обмена можно организовать передачу данных от одного ведомого к другому по команде ведущего.

В децентрализованной сети роль ведущего может передаваться от устройству к устройству либо по некоторому алгоритму очередности, либо по команде текущего ведущего к следующему (передача маркера ведущего). При этом ведомое устройство может в своем ответе ведущему передать запрос на переход в режим ведущего и ожидать разрешения или запрета.

Последовательный канал по меркам контроллера - штука медленная. На скорости 9600 бод передача одного символа занимает больше миллисекунды. Поэтому, когда контроллер плотно загружен вычислениями и не должен их останавливать на время обмена по UART, нужно использовать прерывания по завершению приема и передачи символа. Можно выделить место в памяти для формирования посылки на передачу и сохранения принятой посылки (буфер посылки), а также указатели на позицию текущего символа. Прерывания по завершению приема или передачи символа вызывают соответствующие подпрограммы, которые передают или сохраняют очередной символ со сдвигом указателя и проверкой признака конца сообщения, после чего возвращают управление основной программе до следующего прерывания. По завершению отправки или приема всей посылки либо формируется пользовательский флаг, отрабатываемый в основном цикле программы, либо сразу вызывается подпрограмма обработки сообщения.

В общем случае посылка по последовательному каналу состоит из управляющих байтов (синхронизация посылки, адресов отправителя и получателя, контрольной суммы и пр.) и собственно байтов данных.

Протоколов существует множество и можно придумать еще больше, но лучше пользоваться наиболее употребительными из них. Одним из стандартных протоколов последовательной передачи является MODBUS, его поддержку обеспечивают многие производители промышленных контроллеров. Но если Вам нужно буквально "два байта переслать" или просто освоить методы связи и не хочется из-за этого изучать систему команд модбаса и писать для него драйвер, предлагаю варианты относительно простых протоколов. (И все-таки в дальнейшем стоит ориентироваться именно на MODBUS.)

Основная задача в организации протокола - заставить все устройства различать управляющие байты и байты данных. К примеру, ведомое устройство, получая по линии поток байтов, должно понимать, где начало посылки, где конец и кому она адресована.

1). Часто встречаются протоколы на основе ASCII-кода. Управляющие символы и данные передаются в виде обыкновенных ASCII символов. Посылка может выглядеть так:

В HEX виде: 3Ah 31h 32h 52h 53h 34h 38h 35h 0Dh

В ASCII виде: ":" "1" "2" "R" "S" "4" "8" "5" /ПС/

В начале управляющий символ начала посылки ":", следующие две цифры - адрес получателя (12), затем символы данных (RS485) и в конце - управляющий символ конца посылки 0Dh (перевод строки). Все устройства на линии, приняв символ ":", начинают записывать в память посылку до символа конца строки 0Dh. Затем сравнивают адрес из посылки со своим адресом. Устройство с совпавшим адресом обрабатывает данные посылки, остальные - игнорируют посылку. Данные могут содержать любые символы, кроме управляющих (":", 0Dh).

Достоинство этого протокола в удобстве отладки системы и простоте синхронизации посылок. Можно через преобразователь RS485-RS232 подключить линию к COM-порту компьютера и в любой терминалке увидеть всю проходящую информацию "на человеческом языке". Недостатки - относительно большой размер посылки при передаче большого количества двоичной информации, ведь на передачу каждого байта нужно два ASCII символа (7Fh - "7", "F"). Кроме того, надо преобразовывать данные из двоичного вида в ASCII и обратно.

2). Можно организовать протокол с непосредственной передачей двоичных данных. При этом управляющие символы и байты данных различаются с помощью настройки дополнительного девятого бита в UART. Для управляющих символов этот бит устанавливается в "1". Первым в посылке передается управляющий символ с единичным девятым битом - остальные его "нормальные" биты могут содержать адрес устройства-получателя, признак начала/конца посылки и что-нибудь еще. Затем передаются байты данных с нулевым девятым битом. Все принимающие устройства узнают по девятому биту управляющий символ и по содержанию его остальных битов определяют, кому адресованы последующие данные. Адресуемое устройство принимает данные, а все остальные игнорируют их до следующего управляющего символа.

UART некоторых контроллеров, например C167 (Infineon) может в особом режиме (wakeup) автоматически распознавать в полученном байте девятый бит и генерировать прерывание при получении только управляющего символа. Адресуемое устройство при этом нужно переключить в режим обычного приема до следующего управляющего символа. Это позволяет остальным устройствам сэкономить время на обработке прерываний при получении байтов данных, адресованных не им.

Если требуется сопряжение системы и компьютера с Windows, такой протокол лучше не применять, так как у Windows могут быть проблемы с распознанием девятого бита в UART.

3) Протокол может быть "чисто" двоичным, то есть без выделения специальных управляющих символов. Синхронизация посылок в этом случае может осуществляться за счет отслеживания паузы между принятыми байтами. Принимающее устройство отсчитывает время с момента последнего приема байта до следующего, и если эта пауза оказывается больше какой-то величины (например, 1.5 - 3.5 байта), делается вывод о потере предыдущей посылки и начале новой. Даже если предыдущая посылка была незакончена - приемный буфер сбрасывается. Можно также синхронизировать посылки по уникальной стартовой последовательности байтов (по аналогии со стартовым символом в ASCII протоколе). В таких протоколах надо принимать особые меры для защиты от приема ложной посылки, начатой из-за помехи.

8. Программные методы борьбы со сбоями

Для повышения надежности связи обязательно нужно предусмотреть программные методы борьбы со сбоями. Их можно условно разделить на две группы: защита от рассинхронизации и контроль достоверности.

1). Защита от рассинхронизации. Несмотря на защитное смещение, сильная помеха может пробиться в линию без активных передатчиков и нарушить правильную последовательность приема посылок. Тогда возникает необходимость первой же нормальной посылкой вразумить принимающие устройства и не дать им принять помеху за посылку. Делается это с помощью синхронизации кадров (активная пауза) и синхронизации посылок (преамбула).

Защита от рассинхронизации кадров. Обязательная мера! Все последующие меры синхронизации посылок имеют смысл только совместно с этой. Помеха ложным старт-битом может сбить правильный прием кадров последующей посылки. Чтобы вернуться к верной последовательности, нужно сделать паузу между включением приемопередатчика на передачу и посылкой данных. Все это время передатчик удерживает в линии высокий уровень, через который помехе трудно пробиться (активная пауза). Паузы длительностью в 1 кадр на данной скорости связи (10-11 бит) будет достаточно для того, чтобы любое устройство, принимавшее помехи приняло стоп-бит. Тогда следующий кадр будет приниматься с нормального старт-бита.

Того же эффекта можно добиться передачей символа FFh перед первым байтом посылки, так как кроме старт-бита, все его биты - "1". (Если старт-бит символа FFh попадет на стоп-бит ложного кадра, будет просто засчитана ошибка кадра).

Защита от рассинхронизации посылок. Применяется совместно с предыдущей защитой! Особо подлая помеха может замаскироваться под управляющий символ и сбить принимаемую затем посылку. Кроме того предыдущая посылка может быть прервана. Из-за этого крайне желательно в подпрограмме приема и сохранения данных предусмотреть меры по опознанию настоящего начала посылки и сбросу приемного буфера посылки (области памяти, куда сохраняются принимаемые байты). Для этого служит преамбула - предварительный признак начала посылки.

Стартовый символ. В ASCII протоколе роль преамбулы играет специальный управляющий символ начала посылки. По каждому приему такого символа нужно сбрасывать буфер: обнулять число принятых байт, перемещать указатель на начало буфера и т.п. То же самое нужно делать при переполнении буфера. Это позволит настоящему управляющему символу сбросить предыдущую "посылку", начатую ложным символом.

Пример. Последний управляющий символ ":" сбросит предыдущую ложную посылку:

____ :) ____ : 1 2 R S 4 8 5 /ПС/ ____

Стартовая пауза. В двоичном протоколе, где не предусмотрен уникальный управляющий символ, и синхронизация посылок идет по заданной паузе между байтами, достаточно увеличить активную паузу, описанную в синхронизации кадров, до длительности паузы между байтами, по которой начинается прием новой посылки. То есть, между включением приемопередатчика на передачу и отправкой первых байтов посылки нужно сделать паузу длительностью в 1.5 - 3.5 кадра UART. При активном передатчике во время такой преамбулы помехе трудно будет прорваться к приемникам, они зафиксируют нужную паузу, сбросят буфер посылки и настроятся на прием новой посылки. Этот метод применяется, в частности, для протокола MODBUS RTU.

Стартовая последовательность. Если в двоичном протоколе синхронизация осуществляется лишь по корректному началу посылки, то отфильтровать ложную посылку можно только по логике ее структуры. Преамбула в данном случае - некоторая стартовая последовательность символов, которая не может встретиться в данных посылки, и которую вряд ли сформирует помеха. Преамбула отсылается перед основной посылкой. Принимающее устройство отслеживает в поступающих данных эту стартовую последовательность. Где бы она не состоялась, принимающее устройство сбрасывает буфер посылки и начинает принимать новую.

Вариант 1. Посылка начинает заново приниматься после приема "go!" (вместо символов могут быть любые 8-битные данные):

____ : - Ь ___ g o ! 1 2 R S 4 8 5 ____

Вариант 2. Посылка начинает заново приниматься после приема не менее трех "E" подряд и стартового байта ":" (вместо символов могут быть любые 8-битные данные):

____ > : - E ___ E E E: 1 2 R S 4 8 5 ____

Даже если до стартовой последовательности было два таких символа подряд, посылка начнет сохраняться только за последовательностью из не менее чем трех подряд (лишние игнорируются) и стартового символа. Если вместо "Е" использовать байт FFh - можно совместить синхронизацию кадров и посылок. Для этого посылаются четыре FFh, а принимающее устройство ожидает не менее трех, с учетом того, что первый байт FFh может уйти на синхронизацию кадров.
2). Контроль достоверности. Особо сильная помеха может вклиниться в посылку, исказить управляющие символы или данные в ней, а то и вовсе уничтожить ее. Кроме того, одно из подключенных к линии устройств (абонент) может выйти из строя и перестать отвечать на запросы. На случай такой беды существуют контрольная сумма, тайм-ауты и квитирование.
Контрольная сумма - в общем случае 1-2 байта кода, полученного некоторым преобразованием из данных посылки. Самое простое - "исключающее или" всем байтам данных. Контрольная сумма рассчитывается и включается в посылку перед отправкой. Принимающее устройство производит ту же операцию над принятыми данными и сверяет рассчитанную контрольную сумму с полученной. Если посылка была повреждена, то, скорее всего, они не совпадут. В случае применения ASCII протокола - код контрольной суммы также передается ASCII-символами.
Тайм-аут - максимальное время ожидания ответа от запрашиваемого устройства. Если посылка была повреждена или запрашиваемое устройство вышло из строя, то ведущее устройство не повиснет в ожидании ответа, а по истечении определенного времени признает наличие сбоя. После чего можно еще пару раз повторить запрос и, если сбой повторяется, перейти на отработку аварийной ситуации. Тайм-аут отсчитывается с момента завершения передачи запроса. Его длительность должна с небольшим запасом превышать максимальное время ответной передачи плюс время, необходимое на обработку запроса и формирование ответа. Ведомому устройству тоже не помешает отработка тайм-аутов. Особенно в ситуациях, когда отсутствие регулярного обновления данных или новых команд от ведущего устройства критично для работы устройств системы. Самая простая реализация для ведомого - сброс сторожевого таймера по приему посылки. Если по какой-либо причине данные перестали поступать - устройство сбросится по переполнению сторожевого таймера. После сброса устанавливается безопасный режим до приема первой команды.
Квитирование - подтверждение доставки (квитанция). Когда важно, чтобы ведомый обязательно получил данные или команду, возникает необходимость проконтролировать получение им посылки. Ведущее устройство, отправив ведомому данные, ждет ответа с подтверждением. Ведомое устройство, получив данные, в случае их корректности посылает ответ, подтверждающий доставку. Если по истечении тайм-аута ведущее устройство не получает подтверждение, делается вывод о сбое в связи или в ведомом устройстве. Дальше обычные меры - повтор посылки. Но тут есть нюанс: повреждена и не получена может быть сама квитанция. Ведущее устройство, не получив квитанцию, повторяет посылку, и ведомое отрабатывает ее повторно. Не всегда это существенно, но если перепосылалась команда типа "увеличить параметр на 1" это может привести к незапланированному двойному увеличению параметра. В таком случае надо предусмотреть что-нибудь типа циклической нумерации посылок, чтобы ведомое устройство отличало повторные посылки от новых и не отрабатывало их.

9. Защита устройств от перенапряжений в линии связи

Разность потенциалов между проводниками линии и между линией и "землей" приемопередатчика, как правило, не должна выходить за пределы -7...+12 В. Следовательно, может потребоваться защита от разности потенциалов между "землями" и от перенапряжений из-за замыкания на высоковольтные цепи.

Разность потенциалов между "землями". При организации сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать неявное присутствие третьего проводника - "земли". Ведь все приемопередатчики имеют питание и "землю". Если устройства расположены недалеко от начального источника питания, то разность потенциалов между "землями" устройств в сети невелика. Но если устройства находятся далеко друг от друга и получают местное питание, то между их "землями" может оказаться существенная разность потенциалов. Возможные последствия - выход из строя приемопередатчика, а то и всего устройства. В таких случаях следует применять гальваническую развязку или дренажный провод.
Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется либо опторазвязкой цифровых сигналов (RO, DI, RE, DE) с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков, либо применением приемопередатчиков со встроенной гальванической развязкой сигналов и питания (например, MAX1480). Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной "земли" (сигнальной "земли") и, возможно, провод изолированного питания линии.
Дренажный провод - провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий "земли" удаленных устройств. Через этот провод уравниваются потенциалы "земель". При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении - отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод его заземляют в каждом устройстве через резистор в 100 Ом (0.5 Вт).

Замыкание на высоковольтные цепи. Если существует опасность попадания на линию или одну из местных "земель" высокого напряжения, следует применять опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.
Напряжение пробоя опторазвязанного интерфейса составляет сотни и даже тысячи вольт. Это хорошо защищает устройство от перенапряжения, общего для всех проводников линии. Однако, при дифференциальных перенапряжениях, когда высокий потенциал оказывается на одном из проводников, сам приемопередатчик будет поврежден.
Для защиты от дифференциальных перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные "земли" при помощи ограничителей напряжения. Это могут быть варисторы, полупроводниковые ограничители напряжения и газоразрядные трубки. Физический принцип их действия разный, но суть одна - при напряжении выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию. Газоразрядные трубки могут шунтировать очень большие токи, но имеют высокий порог пробоя и низкое быстродействие, поэтому их лучше применять по трехступенчатой схеме вместе с полупроводниковыми ограничителями. Когда заземление линии невозможно, проводники линии шунтируют ограничителями между собой. Но это защитит только от дифференциальных перенапряжений - защиту от общего должна взять на себя опторазвязка.

Защита ограничителями напряжения действенна при кратковременных перенапряжениях. При длительных - токи короткого замыкания могут вывести ограничители из строя, и устройства на линии окажутся без защиты. Для защиты от коротких замыканий в линию можно последовательно включить плавкие предохранители. Подробнее о защите от перенапряжений можно прочитать в руководстве B&B Electronics "RS-422 and RS-485 Application Note" (англ.).

10. Дополнительные меры защиты от помех

Заключение

Я не претендую на полноту сведений о физических и программных тонкостях связи по интерфейсу RS-485. Однако, полагаю, что еще одно изложение темы, немного по другому сформулированное, и к тому же дополненное личным опытом не будет лишним для разработчиков, только начинающих разбираться в этой области. Надеюсь, приведенная информация поможет Вам в организации беспроблемной и надежной связи.

ИНТЕРФЕЙС RS-485: ОПИСАНИЕ И ПОДКЛЮЧЕНИЕ

ООО НовоСофт

RS-485 - это номер стандарта, впервые принятого Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Cейчас этот стандарт назывется TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (Электрические характеристики передатчиков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах).

В народе RS-485 - это название популярного интерфейса, используемого в промышленных АСУТП для соединения контроллеров и другого оборудования. Главное отличие RS-485 от также широко распространенного RS-232 - возможность объединения нескольких устройств.

Описание интерфейса RS-485

Интерфейс RS-485 обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Широко используется в промышленности при создании АСУ ТП.

Скорость и дальность

RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии - 120 м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м.

Количество соединяемых устройств

Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256.

Протоколы и разъемы

Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе 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 устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

Тип соединителей и распайка также не оговариваются стандартом. Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.

Подключение

Схема подключения

На рисунке изображена локальная сеть на основе интерфейса RS-485, объединяющая несколько приемо-передатчиков.

При подключении следует правильно присоединить сигнальные цепи, обычно называемые А и В. Переполюсовка не страшна, но устройство работать не будет.

Лучшей средой передачи сигнала является кабель на основе витой пары .
Концы кабеля должны быть заглушены терминальными резисторами (обычно 120 Ом).
Сеть должна быть проложена по топологии шины, без ответвлений .
Устройства следует подключать к кабелю проводами минимальной длины .

Согласование

Терминальные резисторы обеспечивают согласование «открытого» конца кабеля с остальной линией, устраняя отражение сигнала.

Номинальное сопротивление резисторов соответствует волновому сопротивлению кабеля, и для кабелей на основе витой пары обычно составляет 100 — 120 Ом. Например, широко распространённый кабель UTP-5, используемый для прокладки Ethernet, имеет импеданс 100 Ом. Специальные кабели для RS-485 марки Belden 9841 … 9844 - 120 Ом. Для другого типа кабеля может потребоваться другой номинал.

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 устройства линия рассогласовывается, и для нормальной работы остальной системы требуется подключение согласующей заглушки.

Уровни сигналов

Интерфейс RS-485 использует балансную (дифференциальную) схему передачи сигнала. Это означает, что уровни напряжений на сигнальных цепях А и В меняются в противофазе, как показано на приведенном ниже 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 наряжений измеряют дифференциально, один сигнальный провод относительно другого.

На стороне приемника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.

Осциллограмма реального обмена

Ниже приведена осциллограмма реального обмена (запрос и начало ответа) при обмене двух контроллеров ВАРИКОНТ по интерфейсу RS-485 (цепь A относительно цепи B). На осциллограмме цифрами отмечены некоторые ключевые моменты:

Включение передатчика ведущего контроллера. После включения выдержана пауза.
Начало передачи данных - стартовый бит первого фрейма (фреймы аналогичны фреймам RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета, стоповый бит).
Завершение передачи данных - стоповый бит последнего фрейма.
Выключение передатчика.
Включение передатчика ведомого контроллера.

Cмещение

Как видно на осциллограмме выше, в отсутствие сигнала на сигнальных цепях имеется небольшое смещение. Это смещение предназначено для защиты приемников от ложных срабатываний.

Рекомендуется создавать смещение немногим более 200 мВ (зона недостоверности входного сигнала согласно стандарту). При этом цепь A «подтягивают» к положительному полюсу источника, а цепь B - к «общему». Один из вариантов реализации цепи смещения показан ниже:

Номиналы резисторов рассчитывают, исходя из требуемого смещения и напряжения источника питания. Например, мы хотим получить смещение 250 мВ при терминальных резисторах Rт = 120 Ом и напряжении источника 12 В. Учитывая, что 2 терминальных резистора включены параллельно и не принимая во внимание нагрузку от приемников, получаем ток смещения I = U / R = 0,250 В / 60 Ом = 0,0042 А. Общее сопротивление цепи смещения R = U / I = 12 В / 0,0042 А = 2857 Ом. Получаем Rсм = (2857 — 60) / 2 ~= 1400 Ом. Выбираем ближайший номинал - 1,3 или 1,5 кОм.

Мы, например, используем для смещения резисторы 1,5 кОм и внешний 12-вольтовый, гальванически развязанный выход блока питания контроллера ВАРИКОНТ, который является ведущим в своём сегменте сети.

Возможны другие варианты реализации смещения, например, распределённая схема с резисторами большого номинала на каждом узле. При размещении цепей смещения следует принимать во внимание, что узел, обеспечивающий смещение, может быть выключен или вовсе удалён из сети.

При использовании приёмо-передатчиков с гальванической развязкой (типа MAX1480) следует использовать и гальванически развязанный источник питания, иначе пользы от дорогих приёмо-передатчиков не будет никакой.

При наличии смещения потенциал цепи А на холостом ходу положителен относительно цепи B, что может служить ориентиром при подключении нового устройства к кабелю с немаркированными проводами.

Искажения из-за неправильной разводки сети

Выполнение перечисленных выше рекомендаций гарантирует нормальную передачу электрических сигналов в любую точку сети на основе интерфейса RS-485. При несоблюдении хотя бы одного из требований сигнал искажается. Вот, например, осциллограммы сигнала, снятого в точке подключения приемника, расположенного в 15 метрах от передатчика и 30 метрах от конца линии, при включенном и отключенном согласующем резисторе:

Следующая осциллограмма показывает искажения сигнала, возникающие при подключении к основному согласованному кабелю длинным 3-метровым отводом:

Приведенные осциллограммы характерны для высоких скоростей обмена (1 Мбит/с и выше). Однако и на более низких скоростях не следует пренебрегать приведенными рекомендациями, даже если «оно и так работает».

При программировании приложений для контроллеров, использующих для связи интерфейс RS-485, следует учитывать несколько моментов:

Перед началом выдачи посылки нужно включить передатчик. Хотя некоторые источники утверждают, что выдачу можно начинать сразу после включения, мы рекомендуем выдержать паузу, равную или большую длительности передачи одного фрейма (включая стартовый и стоповый биты). В этом случае правильная программа приема успевает обнаружить ошибки переходного процесса, нормализоваться и подготовиться к приему первого байта данных.
После выдачи последнего байта данных следует также выдержать паузу перед выключением передатчика RS-485. Это связано с тем, что контроллер последовательного порта обычно имеет два регистра: параллельный входной для приема данных и выходной сдвиговый для последовательного вывода. Прерывание по передаче контроллер формирует при опустошении входного регистра, когда данные уже выложены в сдвиговый регистр, но ещё не выданы! Поэтому с момента прерывания до выключения передатчика нужно выдержать паузу. Ориентировочная длительность паузы - на 0,5 бита длиннее фрейма, для точного расчета следует внимательно изучить документацию на контроллер последовательного порта.

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA -485-А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus , Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;
большая длина линии связи;
достаточно высокая скорость передачи.

2.3.1. Принципы построения

Дифференциальная передача сигнала

В основе построения интерфейса RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data + и Data - (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [ - TIA ].

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data + и Data -. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

"Третье" состояние выходов

Рис. 2.1. Соединение трех устройств с интерфейсом RS -485 по двухпроводной схеме

Второй особенностью передатчика D (D - "Driver ") интерфейса RS -485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable ) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рис. 2.1 передачу выполняет устройство , а прием - устройство , то выходы передатчиков и переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков и не шунтирует линию.

Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request To Send ) СОМ-порта.

Четырехпроводной интерфейс

Интерфейс RS -485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную . Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 2.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной ) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 2.2).

Недостатком четырехпроводной (рис. 2.2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Режим приема эха

Рис. 2.2. Четырехпроводное соединение устройств с интерфейсом RS -485

Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется "приемом эха" и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.

Заземление, гальваническая изоляция и защита от молнии

Если порты RS -485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS -485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS -485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы RealLab!).

Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты, см. раздел "Защита от помех" .

2.3.2. Стандартные параметры

В последнее время появилось много микросхем трансиверов интерфейса RS -485, которые имеют более широкие возможности, чем установленные стандартом. Однако для обеспечения совместимости устройств между собой необходимо знать параметры, описанные в стандарте (см. табл. 2.2).

2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии

Когда передатчики всех устройств, подключенных к лини, находятся в третьем (высокоомном) состоянии, логическое состояние линии и входов всех приемников не определено. Чтобы устранить эту неопределенность, неинвертирующий вход приемника соединяют через резистор с шиной питания, а инвертирующий - с шиной "земли". Величины резисторов выбирают такими, чтобы напряжение между входами стало больше порога срабатывания приемника (+200 мВ).

Поскольку эти резисторы оказываются подключенными параллельно линии передачи, то для обеспечения согласования линии с интерфейсом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление на входе линии было равно 120 Ом.

Например, если резисторы, используемые для устранения неопределенности состояния линии, имеют сопротивление 450 Ом каждое, то резистор для согласования линии должен иметь номинал 130 Ом, тогда эквивалентное сопротивление цепи будет равно 114120 Ом. Для того, чтобы найти дифференциальное напряжение линии в третьем состоянии всех передатчиков (см. рис. 2.6), нужно учесть, что к противоположному концу линии в стандартной конфигурации подключен еще один резистор сопротивлением 120 Ом и до 32 приемников с входным дифференциальным сопротивлением 12 кОм. Тогда при напряжении питания (рис. 2.6) дифференциальное напряжение линии будет равно +272 мВ, что удовлетворяет требованию стандарта.

2.3.6. Сквозные токи

В сети на основе интерфейса RS -485 может быть ситуация, когда включены два передатчика одновременно. Если при этом один из них находится в состоянии логической единицы, а второй - в состоянии логического нуля, то от источника питания на землю течет "сквозной" ток большой величины, ограниченный только низким сопротивлением двух открытых транзисторных ключей. Этот ток может вывести из строя транзисторы выходного каскада передатчика или вызвать срабатывание их схемы защиты.

Такая ситуация возможна не только при грубых ошибках в программном обеспечении, но и в случае, если неправильно установлена задержка между моментом выключения одного передатчика и включением другого. Ведомое устройство не должно передавать данные до тех пор, пока передающее не закончит передачу. Повторители интерфейса должны определять начало и конец передачи данных и в соответствии ними переводить передатчик в активное или третье состояние.

2.3.7. Выбор кабеля

В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS -485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS -485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.

Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов.

При использовании неизолированных трансиверов интерфейса кроме сигнальных проводов в кабеле необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов. При наличии гальванической изоляции интерфейсов этого делать не нужно.

Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля не намного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.

При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS -485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.

На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 2.7) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике. К примеру, ослабление сигнала в кабеле Belden 9501PVC составляет 10 дБ (3,2 раза) на частоте 20 МГц и 0,4 дБ (на 4,7%) на частоте 100 кГц при длине кабеля 100 м.

2.3.8. Расширение предельных возможностей

Стандарт RS -485 допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику. Эта величина ограничивается мощностью выходного каскада передатчика при стандартном входном сопротивлением приемника 12 кОм. Количество нагрузок (приемников) может быть увеличено с помощью более мощных передатчиков, приемников с большим входным сопротивлением и промежуточных ретрансляторов сигнала (повторителей интерфейса). Все эти методы используются на практике, когда это необходимо, хотя они выходят за рамки требований стандарта.

В некоторых случаях требуется соединить устройства на расстоянии более 1200 м или подключить к одной сети более 32 устройств. Это можно сделать с помощью повторителей (репитеров , ретрансляторов) интерфейса. Повторитель устанавливается между двумя сегментами линии передачи, принимает сигнал одного сегмента, восстанавливает фронты импульсов и передает его с помощью стандартного передатчика во второй сегмент (рис. 2.5). Такие повторители обычно являются двунаправленными и имеют гальваническую изоляцию. Примером может служить повторитель NL-485C фирмы RealLab! . Каждый повторитель позволяет добавить к линии 31 стандартное устройство и увеличить длину линии на 1200 м.

Распространенным методом увеличения числа нагрузок линии является использование приемников с более высокоомным входом, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить 64 приемника. Уже выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети (www.analog.com/RS485). Отметим, что увеличение количества нагрузок путем увеличения входного сопротивления приемников приводит к уменьшению мощности передаваемого по линии сигнала, и, как следствие, к снижению помехоустойчивости.

2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422

Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS Рис. 2.9. Соединение двух модулей преобразователей интерфейса RS-232/RS-422Дифференциальный

Дифференциальный

Максимальное количество приемников

Максимальная длина кабеля

Максимальная скорость передачи

30 Мбит/с**

Синфазное напряжение на выходе

Напряжение в линии под нагрузкой

Импеданс нагрузки

Ток утечки в "третьем" состоянии

Допустимый диапазон сигналов на входе приемника

Чувствительность приемника

Входное сопротивление приемника

Примечание . **Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не является стандартной.

* EIA - Electronic Industries Association - ассоциация электронной промышленности. TIA - Telecommunications Industry Association - ассоциация телекоммуникационной промышленности. Обе организации занимаются разработкой стандартов.