12.4 RS-485 Interfaсe

RS-485 Interface применяется в сетях Profibus лишь в случае использования DP и FMS спецификаций протокола.

RS-485 ( Recommended Standard 485), применяемое на практике название интерфейса. Разработан двумя ассоциациями (EIA — Electronics Industries Association) и (TIA — Telecommunications Industry Association). В настоящее время EIA/TIA официально заменили «RS-485» на «EIA/TIA - 485» для идентификации происхождения своих стандартов.

 

Работает на физическом уровене (physical layer) — нижний уровень модели OSI. Канал связи, одна линия - витая пара ITP. Стандарт EI A/TIA- 485 определяет, что соединение между передающим и принимающим устройствами осуществляется с помощью двух или трех проводов: провод с данными, провод с инвертированными данными и, часто, нулевой провод (земля, 0 В). Два провода с данными представляют собой витую пару, которая заключена в металлический экран, который заземляется и представляет собой нулевой провод. Использование экранированного кабеля позволяет уменьшить влияние помех и шумов и, следовательно, уменьшить искажение передаваемой информации. На скоростях меньше 500Kbit/s допустимо использовать не экранированную витую пару.

RS-485 – полудуплексный (half-dupleх) интерфейс, т.е. в определённый момент времени линию может использовать только один (передатчик-transmittser или Driver-ведущий(Master)) для передачи и другой (приёмник-Receiver(Slave)) для приёма информации.

 

При работе нескольких абонентов прием и передача идут по очереди, по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много приёмопередатчиков (transceiver, transmmitter - receiver), при этом, при связи двоих, остальные передатчики могут отключаются и ждать своей очереди.

Каждый абонент (приёмник и передатчик) имеют свой адрес и любой Master- передатчик может связаться, по очереди, с любым Slave – приёмником. В некоторых сетях используют дуплексный метод связи, который называют также полнодуплексным (full-duplex). При этом абоненты используют канал связи одновременно, пример: телефония, интрфейс RS-422 – в канале связи две линии,одна для передачи, а другая для приёма).

 

В RS-485 используют универсальный асинхронный приёмопередатчик (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART)) — микросхема, имеющая в свом составе и передатчик и приемник, предназначенный для связи с другими такими же цифровыми устройствами. Он реализует обычный асинхронный (в отличие от синхронного, в нём нет потактной синхронизации) последовательный протокол, то есть передатчик по очереди выдает в линию 0 и 1, а приёмник отслеживает их и запоминает.

Тактовые генераторы приемника и передатчика в начале связи синхронизируются по частоте специальными стробирующими (тактовыми) синхроимпульсами, для обеспечения точной согласованности их работы. Это очень важно. Если частоты передатчика и приемника не будут совпадать, то передачи может не быть вообще, либо будут приняты ошибочные данные. Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.

RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 12 Мbit/s. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 12 Мbit/s максимальная длина линии — 120 м, при скорости 185,5 Kbit/s — 1200 м.

iDevice ikoon 1. Протокол RS-485

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 чётности (если нужно), стоповый бит.

В исходном состоянии, при отсутствии передачи, в линии установлено высокий уровень напряжения, т.е. «1». Вначале передачи передатчик устанавливает в линии в низкий уровень «0» — это старт бит.

После окончания старт бита приемник, с каждым тактом генератора, считывает все биты передаваемого байта. Передача байта заканчивается стоп битом. Для повышения надежности, перед стоп битом может быть бит чётности (бит паритета), который дополняет число единиц в байте до четного числа. Приёмник примет байт только в том случае, если число битов в нём будет чётным, этим и повышается надёжность передачи.

Электрический сигнал кадра посылки выглядит так:

 

Рис.65 PROFIBUS UART-кадр. Источник: http://www.musidora.ru/format485.htm

Перед началом связи между двумя устройствами необходимо настроить их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра.По такому же протоколу работает COM порт компьютера, разница лишь в различии формирования напряжений сигнала . В RS-232 сигнал передается импульсами в одном проводе относительно общего провода «земли» и наведённый сигнал помехи в этом проводе может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода. Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода, если он заземлён с обоих концов, будет падать разность потенциалов земли, которая может быть дополнительной помехой. Поэтому длина линии связи в RS-232 не превышает 15м.

 


iDevice ikoon 2 . Сигналы интерфейса RS-485

В RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных.        Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными(разностными) перепадами напряжения величиной (0,2…6) V на расстояние до 1200м. Полезный сигнал передаётся  по двум проводам в разной полярности. Причем если по одному проводу  идет оригинальный сигнал, то по другому - его инверсная копия.  

Часто  оба проводника PROFIBUS обозначают как А-проводник и В-проводник. При этом А-проводник соответствует RxD/TxD-N (Green – A-line (RxD/TxD-N)) , а В-проводник -RxD/TxD-P ( Red – B-line (RxD/TxD-P)).

 

Рис. 66 Сигналы А-проводник и В-проводник интерфейса RS-485.

Источник:    SIEMENS, Сети  SIMATIC NET PROFIBUS-DP Руководство пользователя.


iDevice ikoon 3. Уменьшение помех

Расмотренный способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии связи одинаково, т.е. наведённые в обоих проводах напряжения помехи будут совпадать по фазе. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах линии напряжение синфазной помехи.

 

Рис. 67 Синфазная помеха.

Источник: http://www.electrosad.ru/Jornal/VidPom0.htm

Синяя стрелка показывает направление движения полезногр (информационного) сигнала по линии к нагкузке Rн, а красная, направление сигнала синфазной помехи наведенного на обоих проводникаü линии. На Rн происходит суммирование обоих сигналов, что приводит к искажению сигнала.

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 обоих входов приёмника А и B, от действия помехи изменяется одинаково, но при этом разность потенциалов между ними, соответствующая передаваемой информации, остается без изменений. Скручивание проводов линии ещё уменьшает влияние помехи. Это показано на Рис.68. Электромагнитное поле силового кабеля, охватывая линию связи, индуцирует в петлях линии токи помехи, направление которых соответствует правилу буравчика. Направление этих токов, в соседних петлях одного и того же провода, противоположны и они компенсируются.

 

Рис. 68 Компенсация влияния электромагнитных полей на витую пару.

Источник: http://verwertraining.com/wp-content/uploads/InstallationGuideV9_2.pdf

 


iDevice ikoon 4. Аппаратная часть

Для осуществления связи в RS-485 используются приёмопередатчики (трансиверы), которые управляются контроллером на приём или передачу и подключаются к проводам А и B линии связи (витая пара) с соблюдением маркировки т.е. полярности. При неправильной полярности, подключённый трансивер работать не будет.

 

Рис. 69 Блок схема трансивера с цоколёвкой компании Maxim Integrated Products  Источник: http://www.compeljournal.ru/enews/2009/3/2

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.

Для систем промышленной автоматики используются кабели с волновым сопротивлением (импедансом) от 100 до 150 Ом.

Например, широко распространённый кабель UTP-5, используемый для прокладки Ethernet, имеет импеданс 100 Ом. Однако кабели, спроектированные специально для интерфейса RS-485, имеют волновое сопротивление 120 Ом.

В качестве линии связи используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением ≈120 Ом. Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз для исключения дополнительных помех из за разноси потенциалов земли в двух точках. Часто экран заземляют на стороне конечного приёмника. Приёмопередатчики к сети RS-485 подключаются последовательно, с соблюдением полярности контактов A и B. Длина линии связи может достигать 1200м на сегмент.

Число ответвлений от магистрали до трансивера должно быть минимальным.


Рис. 70 Схема соединения перефкрийных устройств. Источник: http://www.contravt.ru/?id=1660&template=print


iDevice ikoon 5. Схема подключения нескольких трансиверов

Количество устройств, подключаемых к одной линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один стандартный передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками.  

 

Рис. 71 Подлючение нескольких трансиверов.

Источник:  http://www.novosoft.by/Ency/rs-485.htm

Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 V при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 V на холостом ходу. Для увеличения числа приёмников на линии  используют приемники с более высоким входным сопротивлением, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (Rвх=12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить уже 64 приемника. Выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети. Но увеличение количества трансиверов путем увеличения входного сопротивления приемников  уменьшает мощность передаваемого по линии сигнала, а это снижеает помехоустойчивость сети.  При использовании повторителя можно добавить к линии ещё 31 стандартное устройство и увеличить длину линии ещё на 1200 м. Даже для скоростей обмена порядка 19200 bit/s кабель уже можно считать длинной линией, а в длинной линии электромагнитная волна, достигая конца кабеля, отражается от него и возвращается к источнику сигнала, отражается от источника и опять проходит к концу кабеля, т. е. возникает сигнал помехи и для исключения помех от отраженного сигнала линия должна быть согласована на концах. Для этого к обоим концам линии должны быть подключены согласующие резисторы с  сопротивлением равным волновому. При согласовании используются резисторы Rτ c сопротивлением 120 Ом  и мощностью не менее 0,25 W – так называемые «терминаторы». Терминаторы устанавливаются на обоих концах линии связи, между контактами A и B витой пары и  обеспечивают согласование "открытого" конца кабеля с остальной линией, устраняя отражение сигнала.         


iDevice ikoon 6. Защитное смещение

Приемники большинства микросхем RS-485 имеют пороговое напряжние на входе приёмника A –B,  UAB = 200mV. При UAB >200mV  на выходе чётко устанавливается логическая «1».

Если   IUAB I меньше порогового,то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое  случается либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы исключить выдачу ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B создать постоянную разность потенциалов:  UAB > 200mВ – напряжение смещения. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую «1», поддерживая, таким образом, уровень стопового бита.

Для создания напряжения смещения на линии А-B устанавливают делитель напряжения Рис.72, подсоединённый к источнику питания Vcc . Для расчёта делителя надо знать сотротивление соединённых параллельно                       RAB =Rвх||Rτ||Rτ. Если к линии параллельно подсоединены 32 приёмника с Rвх=12kOm, то их объщее сопротивление 12/32=0.375 kOm=375 Om. Tак как Rτ=120 Om, то RAB =375||120||120=51,7 Om. Ток делителя  Iд=UAB / RAB= 200/51.7=3,87mA. Eсли Vcc=5V, то 2Rзс=Vcc - UAB/Iд=4,8/3.87mA=1.24kOm. Таким образом величина защитного резистора Rзc должна быть не больше   620 Оm. Для более надёжной защиты выбирают меньшее значение 560 Оm.   

                      

 

Рис. 72  Счема создания защитного смещения.

Источник: http://www.musidora.ru/format485.htm

                  


iDevice ikoon 7. Сферы применениния PROFIBUS

Передовая технология, в соответствии с международными стандартами превратила PROFIBUS в мирового лидера среди полевых шин. Эта технология характеризуется:

  • использованием открытых стандартов
  • совместимостью
  • универсальной применимостью
  • гибкостью расширения
  • высоким коэффициентом готовности

 

PROFIBUS, как средство обмена данными на полевом уровне, является важным компонентом Полной компьютерной автоматизации (Totally Integrated Automation, TIA), применяемой во всех отраслях дискретного, непрерывного и смешанного (гибридного) производства.

Рис. 73 Коммуникации на полевом уровне с помощью PROFIBUS. Источник: www.profibus.com


iDevice ikoon Контрольные вопросы

1. Какая линия связи используется в RS-i и почему?

2. Можно ли использовать не экранированную линию связи?

3. Как компенсируются помехи в витой паре?

4. Что такое полудуплексный и полнодуплексный канал связи и как их можно осуществить в электрической линии связи?

5. Что такое асинхронный метод (протокол) передачи данных?

6. Что такое синхронизация приёмника и передатчика?

7. Какие скорости передачи (мин. макс.) возможны в RS-i и какая длина линии им соответствует?

8. Какие биты используются в кадре RS-i, для чего нужен бит паритета?

9. Что такое дифференциальный принцип передачи данныхи почему он более помехоустойчив?

10. Что такое трансивер и ка он подключается к линии связи?

11. Сколько стандартных трансиверов можно подключить к одному сегменту и какова максимальная длина одного сегмента линии?

12. Как можно увеличить макс. число трансиверов в линии?

13. Зачем нужен согласующий резстор( терминатор) и какова его величина?

14. Зачем нужно защитное смещение и как расчитать величины резистора защитного смещения Rзс?

15. Особенности и сферы применения Profibus Рис.73.