Углубленное описание стандарта EIA485 (RS485). Физические интерфейсы RS485 и RS422 Rs 485 максимальная длина кабеля

Цель настоящей статьи - предоставить базовые рекомендации по выбору схемы соединений для сетей на основе RS-485. Спецификация RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) не дает конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществляться разводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Эти рекомендации и инженерная практика в области обработки звука положены в основу этой статьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всего разнообразия возможных вариантов построения сетей.

RS-485 передает цифровую информацию между многими объектами. Скорость передачи данных может достигать 10 Мбит/с, а иногда и превышать эту величину. RS-485 предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метров хорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов при разработке схемы межсоединений системы.

Кабель

RS-485 спроектирован как балансная система. Проще говоря, это означает, что, помимо земляного, имеется два провода, которые используются для передачи сигнала.

Рис. 1. Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных.

Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе является идеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, если один провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. См. Рис. 2.

Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.

Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием различных типов передающей среды, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой "витая пара".

Что такое витая пара и почему она используется?

Как следует из ее названия, витая пара - это просто пара проводов, которые имеют равную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиям спецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источника проблем для разработчиков быстродействующих территориально распределенных сетей, а именно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи (наводка).

Излучаемые электромагнитные помехи

Как показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используются импульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие. Эти крутые фронты нужны при более высоких скоростях, чем способен обеспечить RS-485.

Рис. 3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и ее БПФ

Полученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе с длинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI). Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этот эффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простом принципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждого провода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными. Это создает эффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствие электромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеют точно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможно одновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должны быть близко друг к другу насколько возможно. Скручивание проводов помогает нейтрализовать любое остаточное электро-магнитное излучение из-за конечного расстояния между двумя проводами.

Индуцируемые электромагнитные помехи

Индуцируемые электромагнитные помехи - в основном та же самая проблема, что и излучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, также действуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательные сигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращать излучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимых электромагнитных помех. Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум, наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенный на втором проводе. Этот тип шума называют "синфазным шумом". Поскольку приемники RS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностью друг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов.

Волновое сопротивление витой пары

В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим "волновым сопротивлением (характеристическим импедансом)", которое обычно определяется ее производителем. Спецификация RS-485 рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом. Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки и диапазонов синфазных напряжений, определенных в спецификации RS-485. По всей видимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по каким-либо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобы наихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приемников) и наихудшие диапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, что проектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специально посвященный таким вычислениям.

Число витых пар на каждый передатчик

Теперь, когда мы понимаем, какой нужен тип кабеля, возникает вопрос о том, каким количеством витых пар может управлять передатчик. Ответ короткий - точно одной. Хотя передатчик и может при некоторых обстоятельствах управлять более чем одной витой парой, это не предусмотрено спецификацией.

Согласующие резисторы

Поскольку затронуты высокие частоты и большие расстояния, должное внимание должно быть уделено эффектам, возникающим в линиях связи. Однако, детальное обсуждение этих эффектов и корректных методов согласования далеко выходит за рамки настоящей статьи. Помня об этом, техника согласования будет кратко рассмотрена в своей простейшей форме, постольку, поскольку она имеет отношение к RS-485.

Согласующий резистор - это просто резистор, который установлен на крайнем конце или концах кабеля (Рис. 4). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля.

Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.

Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Это описывается уравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo - сопротивление кабеля, а Rt - номинал согласующего резистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражение неизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5.

Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с MAX3485, нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором. Сигнал справа был получен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора.

Помня об этом, важно обеспечить максимально-возможную близость значений сопротивления согласующего резистора и волнового сопротивления. Место установки согласующего резистора так-же очень важно. Согласующие резисторы должны всегда размещаться на дальних концах кабеля.

Как общее правило, согласующие резисторы должны быть помещены на обоих дальних концах кабеля. Хотя правильное согласование обоих концов абсолютно критично для большинства системных дизайнов, можно утверждать, что в одном специальном случае необходим только один согласующий резистор. Этот случай имеет место в системе, в которой имеется единственный передатчик, и этот единственный передатчик расположен на дальнем конце кабеля. В этом случае нет необходимости размещать согласующий резистор на конце кабеля с передатчиком, поскольку сигнал всегда распространяется от этого передатчика.

Максимальное число передатчиков и приемников в сети

Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одного приемника. Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость, разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимый максимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему.

В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая "единичная нагрузка (unit load)". Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера - MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) - 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487.

Примеры правильных сетей

Вооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторые сети на основе RS-485. Вот несколько простых примеров.

Один передатчик, один приемник

Простейшая сеть - это один передатчик и один приемник (Рисунок 6). В этом примере, согласующий резистор показан на кабеле на стороне передатчика. Хотя здесь это необязательно, вероятно хорошей привычкой было бы проектировать сети с обоими согласующими резисторами. Это позволят перемещать передатчик в места, отличные от дальнего конца кабеля, а также позволяет, если в этом возникнет необходимость, добавить в сеть дополнительные передатчики.

Рис. 6. Сеть RS-485 с одним передатчиком и одним приемником

Один передатчик, несколько приемников

На рисунке 7 представлена сеть с одним передатчиком и несколькими приемниками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.

Рис. 7. Сеть RS-485 с одним передатчиком и несколькими приемниками

Два приемопередатчика

На рисунке 8 представлена сеть с двумя приемопередатчиками.

Рис. 8. Сеть RS-485 с двумя приемопередатчиками

Несколько приемопередатчиков

На рисунке 8 представлена сеть с несколькими приемопередатчиками. Как и в примере с одним передатчиком и несколькими приемниками, важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.

Рис. 9. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками

Примеры неправильных сетей

Ниже представлены примеры неправильно сконфигурированных систем. В каждом примере сравнивается форма сигнала, полученного от некорректно разработанной сети, с формой сигнала, полученного от должным образом разработанной системы. Форма сигнала измерялась дифференциально в точках A и B (A-B).

Несогласованная сеть

В этом примере, на концах витой пары отсутствуют согласующие резисторы. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с открытой цепью на конце кабеля. Это приводит к рассогласованию импедансов, вызывая отражение. В случае открытой цепи (как показано ниже), вся энергия отражается назад к источнику, вызывая сильное искажение формы сигнала.

Рис. 10. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)

Неправильное расположение терминатора

На рисунке 11 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям.

Рис. 11. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)

Составные кабели

На рисунке 12 имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала.

Рис. 12. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар

Длинные ответвители

На рисунке 13, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель - stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.

Рис. 13. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением

Рассмотрим как управлять преобразователем частоты с помощью протокола rs 485. Сделаем управление шпинделем автоматикой. Для этого у нас имеется:

Токарный станок со шпинделем ET65A-800W.
Частотный преобразователь завода Шнайдер Электрик Altivar 71.
Модернизатор интерфейса RS232/RS485.
Mach3 v.3.042.029.

Сначала делаем конфигурацию мача:

Разрешаем работу по ModBus, поставив соответствующую галочку.

В настройках шпинделя в подменю убираем ненужные галочки.

Добавляем строку инициализации в меню general conf.
Для работы нужно в частотном преобразователе два регистра – это управление CMD и установка с регистром. Чтобы было удобнее, выбираем частоту вращения двигателем уставкой.

Делаем конфигурацию поллинга:

Связующие элементы 19200 8-N-1. Сканирование с частотой 10 герц в размерной таблице. Поллинг нужен для того, чтобы в связи произошла самодиагностика, и частота преобразовалась. Если обмен сети прекратился на размер заданного перерыва, то частотник выдает ошибку.

Исправляем VBA скрипты:

M3
SetModOutput(0,&H0006)
SetModOutput(1,0)
DoSpinCW()
SetModOutput(0,&H000F)

M4
SetModOutput(0,&H0006)
SetModOutput(1,0)
DoSpinCCW()
SetModOutput(0,&H000F)

SetModOutput(0,&H0006)
SetModOutput(1,&H0000)
DoSpinStop()

rpm = GetRPM()
SetSpinSpeed(rpm)
SetModOutput(1,rpm)

Исправляем постпроцессор:

@start_tool
if only_xyz eq false
if tool_direction eq CW then
mcode = 4
else ; CCW
mcode = 3
endif

call @gen_nb
; {‘S’spin:integer_def_f, ‘ M’mcode}
{‘M’mcode}
call @gen_nb
{‘S’spin:integer_def_f}
call @gen_nb
{‘M8’}
endif
endp
Работаем по связке SolidWorks/SolidCAM.
Этот метод управления обладает преимуществами и отличается от ШИМ преобразователей:
— если скорость шпинделя равна нулю, то мотор гарантированно отключается;
— управляющая программа имеет возможность обмениваться информацией с частотным преобразователем;
— реальные обороты двигателя интерпретируют с заданием частотника;
— на большом расстоянии связной линии выделена хорошая адаптивность к помехам (до одного километра).

Подробнее про управление частотником по протоколу RS-485.

RS-485 применяет пару витую с экраном с землей и сигналом. Земля с сигналом обязательна, но не применяется для исчисления состояния линии в логике. Коммутатор, управляющий линией баланса (balanced line driver), имеет сигнал входа «Enable» (Разрешен), используемый для управления мониторами выхода этого устройства. Если сигнал «Enable» отключен, то это обозначает, что устройство выключено от линии, и в этом положении устройство всегда называется «tristate» (т.е. третье состояние, вместе к двоичным 1 и 0).

Стандартное значение на RS-485 обуславливает только 32 пары передачи и приема, но изготовители увеличили возможности RS-485 протокола, поэтому, теперь он будет поддерживать от 128 до 255 устройств на единичной линии, при использовании репитеров можно увеличивать RS-485/RS-422 очень намного. Если использовать RS-485 можно, и в с длинным проводом или огромного количества устройств надо, применять терминаторы, встроенные в устройства с RS-485 протоколом, но при коротком проводе, видимое ухудшение связи при применении терминаторов.

Так же номинал на RS-485 обуславливает применение двухжильной витой пары с экраном, такой 2-wire RS-485, но будет применение и витой пары из четырех проводов (4-wire RS-485), тогда будет целый дуплет. В этом случае, нужно, чтобы одна конструкция была создана как ведущая (Master), а другие как ведомые (Slave). Тогда многие ведомые конструкции сообщаются только с ведущей конструкцией, и никогда не отдадут ничего прямо друг другу. В этих случаях как всегда RS-422 драйвер применяется как ведущая конструкция, т.к. RS-422 имеет допуск подключения только как master/slave, а RS-485 конструкции как ведомые, для снижения цены системы. Стандарт на RS-422 с самого начала обуславливает применение четырехжильной витой пары с экраном, но имеет допуск соединения всего от одной конструкции к другой (до 5 драйверов и до 10 ресиверов на драйвер). RS-422 был создан, чтобы заменить RS-232 тогда, когда RS-232 не обеспечивает скоростной режим и дальности передачи.

RS-422 применяет чисто размещенные провода (две пары): для приема одну, для отдачи тоже одну (и по одной на все сигналы контроля и подтверждения (control/handshake)). RS-485 имеет наличие третьего состояния («tristate») и может использовать одну пару проводов, что снижает цену системы и обеспечивает связь на длинные дистанции. В настоящее время доступно много разных устройств для соединения RS-422/RS-485 с RS-232, причем RS-232 часто применяется для совмещения с ЭВМ (но, есть и карты интерфейса RS-422/RS-485 в компьютер), который применяется чтобы управлять системой. Имеют место и разнообразные приборы (хабы, репитеры, переключатели и др.) для обеспечения сложных конфигураций RS-422/RS-485 сетей, так что RS-422/RS-485 скрывают в себе много возможностей.

Как сделать разводку сетей RS-485 правильно?

RS-485 отдает информацию в цифровом виде между объектами. Данные могут передаваться со скоростью 10 Мбит/с. RS-485 применяется для отдачи сигнала на повышенную протяженность. Протяженность и скорость данных для RS-485 зависит от разных факторов.

Кабель.

RS-485 сконструирован как система баланса. Это значит, что есть два провода, использующиеся для передачи данных.

Рис. 1. Система баланса пользуется двумя жилами на передачу сигнала.

Эта система является балансной, так как сигнал на двух проводах с обоих концов является точно противоположным. См. Рис. 2.

Рис. 2. Данные отличающиеся с двух сторон проводов.

RS-485 должен использоваться с проводкой «витая пара».

Почему пользуются проводкой «витая пара»?

Это простая пара проводов, имеющих одинаковую длину. Они вместе свиты. Передатчик с кабелем из витой пары снижает две проблемы для создателей скоростных сетей, производимых электромагнитные и индуцируемые помехи.

Электромагнитные излучаемые помехи.

На рисунке показано, что при использовании импульсов с большими фронтами, в сигнале есть составляющие высокой частоты. Такие фронты необходимы для повышенных скоростей, чем может дать RS-485.

Рис. 3. Прямоугольные импульсы.

Компоненты высокой частоты этих фронтов с большими проводами приводят к излучению помех электромагнитных. Система баланса использует линии связи витой парой, снижает эффект, излучатель становится ненужным. Данные на проводах одинаковы, инверсные, сигналы окажутся тоже равными и инверсными. Это делает эффект снижения одного сигнала из-за другого. Это значит, что отсутствует электромагнитное излучение. Но это только предположение. Совмещение проводов дает нейтрализацию облучения из-за протяженности между жилами.

Электромагнитные индуцируемые помехи.

Это та же проблема, только наоборот. Соединения в системе на основе RS-485 работают как антенна. Эти сигналы искажают нужные сигналы, которые приводят к проблемам в данных. Она также может уменьшить зависимость помех. Шум одного провода тот же, что и на втором проводе. Его называют синфазным. Они подавляют шум обоих проводов.

Сопротивление витой пары в виде волн.

Переплетенная пара имеет свойства волн, которые определены производителем. RS-485 обуславливает, чтобы размер резистора был равен 120 Ом. Такая рекомендация импеданса нужна для подсчета худшей нагрузки в интервале синфазных напряжений в RS-485. Спецификация не дает такой импеданс для гибкости. Если нельзя использовать кабель сопротивлением 120 Ом, то нужно, чтобы худший вариант нагрузки и худший диапазон напряжений снова были просчитаны, чтобы убедиться, что система работает. Передатчик может управлять только одной витой парой, другое не предусмотрено спецификацией.

Согласующие резисторы.

Резистор согласующий– это обыкновенный резистор на одном конце кабеля. Размер резистора согласующего равен сопротивлению волновому кабеля.

Рис. 4. Резисторы согласующие имеют одинаковое сопротивление с витой парой.

Если значение двух резисторов отличается от волнового кабеля, то будет отражение, сигнал будет вворачиваться обратно. Расхождения вызывают отражение, чтобы сделать ошибки в данных.

Рис. 5. Сигнал получен с MAX3485. Сигнал справа получен при согласовании с резистором.

Нужно согласовать большую приближенность размера резистора согласующего и волнами. Не важно куда устанавливать согласующий резистор, на обоих концах кабеля.

По правилу резисторы согласования помещаются на концах кабеля, хотя лучше согласование обоих концов сделать критичным для многих дизайнов системы. В одном случае надо только один резистор. Этот случай есть в системе, где есть передатчик. Он находится на другом конце кабеля. Не нужно помещать резистор на конце кабеля вместе с передатчиком, так как сигнал идет от него.

Наибольшее число приемников и передатчиков в сети.

Обычная сеть на RS-485 состоит из приемника и передатчика. RS-485 дает гибкость, разрешает больше передатчиков и приемников на паре. Максимальное число зависит от загрузки системы.

В идеале передатчики и приемники будут иметь большой импеданс и не загрузят систему. Реально так не может быть. Подключенный приемник повышает нагрузку. В помощь разработчику сети RS-485 узнать какое количество устройств будут добавлены в сеть, создали единицу нагрузки. Такие конструкции характеризуются множителями или нагрузкой.

Приемник и передатчик по одному.

Резистор согласованный на проводе в стороне передатчика. Можно передвигать передатчик в ближние края провода, а прибавить передатчики в сеть.

Рис. 6. RS-485 имеет по одному приемнику и передатчику.

Несколько приемников и один передатчик.

Здесь очень важно, чтобы протяженность от витой пары была наименьшая.

Рис. 7. Сеть с несколькими приемниками и одним передатчиком.

Неправильные сети. Несогласованная сеть.

Сравним формулировку данных от неправильной сети разработанной системы. Она была измерена в точках А и В. Здесь на краях пары резисторов для согласования. Сигнал идет от источника, сталкивается с цепью на кабеле. Это ведет к разрушению импедансов, отражению. В открытой цепи энергия идет назад, вызывает искажение сигнала.

Рис. 8. Сеть несогласована. Форма сигнала отличается от правильной.

Расположение терминатора неправильное.

Резистор согласованный есть, но размещен отлично от другого конца кабеля. Сигнал сталкивается с импедансом и его рассогласованием, соединяется на резисторе. Сопротивление было согласовано с кабельным сопротивлением. Дополнительный кабель дает рассогласование и отражает экран. Другое рассогласование – это другой конец кабеля.

Рис. 9. Сеть с резистором, который размещен неправильно, его сигнал.

Кабели составные.

Проблема состоит в драйверах, которые разработаны чтобы управлять одной витой парой. Не любой передатчик может управлять 4-мя витыми параллельными парами. Уровни логические минимальные не гарантируются. Вместе с большой нагрузкой есть различие импедансов в месте, где соединены кабели. Различие импедансов значит отражение и искажение сигнала.

Рис. 10. Некорректная сеть с несколькими парами.

Удлиненные ответвители.

Кабель согласован, нагружен передатчик на витую пару одну. Проводной сегмент в точке подключения приемника слишком длинный. Большие ответвители оказывают большое рассогласование импеданса и отражают сигнал. Ответвители делают наименьшей длины.

Рис. 11. Сеть с трехметровым ответвителем и сигнал в итоге в сравнении с сигналом с маленьким ответвителем.

Какие действия нужны, чтобы разобраться с управлением по протоколу rs485?

Поиск документации на конструкцию. Она приложена в печатном виде к частотнику и актуальна для него. Документы могут быть приложены в электронном виде на диске. Можно найти документацию в Интернете.
Выясняем номера ревизии, версии. Наша цель – версия программы.
Изучение документов по специфическим словам.
Поиск подключающей схемы связующего кабеля и цоколевку разъема.
Поиск описания регистров Modbus. Это карта памяти. Регистры называются переменными.
Определение типа адресации переменных. В Modbus есть два типа различных адресации, логическая и физическая.
Указание поиска в направлении. Это ответственный шаг.

В условиях промышленного применения беспроводные линии передачи данных никогда не смогут полностью заменить проводные . Среди последних самым распространенным и надежным до сих пор остается последовательный интерфейс RS -485 . А производителем наиболее защищенных от внешних воздействий и разнообразных по конфигурации и степени интеграции приемопередатчиков для него, в свою очередь, остается компания Maxim Integrated .

Несмотря на рост популярности беспроводных сетей, наиболее надежную и устойчивую связь, особенно в жестких условиях эксплуатации, обеспечивают проводные. Правильно спроектированные проводные сети позволяют реализовать эффективную связь в промышленных приложениях и в системах автоматизированного управления производственными процессами, обеспечивая устойчивость к помехам, электростатическим разрядам и перенапряжениям. Отличительные особенности интерфейса RS-485 обусловили его широкое применение в индустрии.

Сравнение интерфейсов RS-485 и RS-422

Приемопередатчик RS-485 является наиболее распространенным интерфейсом физического уровня для реализации сетей с последовательной передачей данных, предназначенных для жестких условий эксплуатации в промышленных применениях и в системах автоматизированного управления зданиями. Данный стандарт последовательного интерфейса обеспечивает обмен данными с высокой скоростью на сравнительно большое расстояние по одной дифференциальной линии (витой паре). Основная проблема применения RS-485 в промышленности и в системах автоматизированного управления зданиями состоит в том, что электрические переходные процессы, возникающие при быстрой коммутации индуктивных нагрузок, электростатические разряды, а также импульсные перенапряжения, воздействуя на сети автоматизированных систем управления, способны исказить передаваемые данные или привести к выходу их из строя.

В настоящее время существует несколько типов интерфейсов передачи данных, каждый из которых разработан для конкретных применений с учетом требуемого набора параметров и структуры протокола. К числу интерфейсов последовательной передачи данных относятся CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI и SMBus, однако RS-485 и RS-422 по-прежнему остаются наиболее надежными, особенно в жестких условиях эксплуатации.

Интерфейсы RS-485 и RS-422 во многом схожи, однако имеют некоторые существенные отличия, которые необходимо учитывать при проектировании систем передачи данных. В соответствии со стандартом TIA/EIA-422, интерфейс RS-422 специфицирован для промышленных применений с одним ведущим устройством шины данных, к которой может быть подключено до 10 ведомых устройств (рисунок 1). Он обеспечивает передачу на скорости до 10 Мбит/с, используя витую пару, что позволяет повысить помехоустойчивость и достичь максимально возможной дальности и скорости передачи данных. Типичные области применения RS-422 – автоматизация производственных процессов (производство химикатов, пищевое производство, бумажные фабрики), комплексная автоматизация производства (автомобильная и металлообрабатывающая промышленность), системы вентиляции и кондиционирования, системы безопасности, управление двигателями и контроль за перемещением объектов.

RS-485 обеспечивает более высокую гибкость благодаря возможности использования нескольких ведущих устройств на общей шине, а также увеличения максимального числа устройств на шине с 10 до 32. Согласно стандарту TIA/EIA-485, интерфейс RS-485 по сравнению с RS-422 имеет более широкий диапазон синфазного напряжения (-7…12 В вместо ±7В) и несколько меньший диапазон дифференциального напряжения (±1,5 В вместо ±2 В), что обеспечивает достаточный уровень сигнала приемника при максимальной нагрузке линии. Используя расширенные возможности многоточечной шины данных, можно создавать сети устройств, подключенных к одному последовательному порту RS-485. Благодаря высокой помехоустойчивости и возможности многоточечных подключений RS-485 является наилучшим среди последовательных интерфейсов для использования в промышленных распределенных системах, подключаемых к программируемому логическому контроллеру (PLC), графическому контроллеру (HMI) или другим контроллерам для сбора данных. Поскольку RS-485 является расширенным вариантом RS-422, все устройства RS-422 могут подключаться к шине, управляемой ведущим устройством RS-485. Типичные области применения для RS-485 аналогичны перечисленным выше областям применения RS-422, при этом более частое использование RS-485 объясняется его расширенными возможностями.

RS-485 – самый популярный промышленный интерфейс

Стандарт TIA/EIA-485 допускает использование RS-485 на расстоянии до 1200 м. На более коротких дистанциях скорости передачи данных – более 40 Мбит/с. Использование дифференциального сигнала обеспечивает интерфейсу RS-485 более высокую дальность, однако скорость передачи данных уменьшается по мере увеличения длины линии. На скорость передачи данных влияет также площадь сечения проводов линии и число устройств, подключенных к ней. При необходимости получения одновременно большой дальности и высокой скорости передачи данных рекомендуется использовать приемопередатчики RS-485 со встроенной функцией высокочастотной коррекции, например, MAX3291 . Интерфейс RS-485 может использоваться в полудуплексном режиме с применением одной витой пары проводов или в дуплексном режиме с одновременными передачей и приемом данных, что обеспечивается использованием двух витых пар (четыре провода). В многоточечной конфигурации в полудуплексном режиме RS-485 способен поддерживать до 32 передатчиков и до 32 приемников. Однако микросхемы приемопередатчиков нового поколения имеют более высокий входной импеданс, что позволяет снизить нагрузку приемника на линию от 1/4 до 1/8 стандартного значения. Например, при использовании приемопередатчика MAX13448E число приемников, подключаемых к шине RS-485, может быть увеличено до 256. Благодаря расширенному многоточечному интерфейсу RS-485 имеется возможность построения сетей различных устройств, подключенных к одному последовательному порту, как показано на рисунке 2.

Чувствительность приемника составляет ±200 мВ. Следовательно, для распознавания одного бита данных уровни сигнала в точке подключения приемника должны быть больше +200 мВ для нуля и меньше -200 мВ для единицы (рисунок 3). При этом приемник будет подавлять помехи, уровень которых находится в диапазоне ±200 мВ. Дифференциальная линия обеспечивает также эффективное подавление синфазных помех. Минимальное входное сопротивление приемника составляет 12 кОм, выходное напряжение передатчика находится в диапазоне ± 1,5…± 5 В.

Проблемы, связанные с использованием последовательного интерфейса в промышленной среде

Разработчики промышленных систем сталкиваются со сложными задачами по обеспечению их надежной эксплуатации в электромагнитной обстановке, способной вывести из строя оборудование или нарушить работу цифровых систем передачи данных. Одним из примеров подобных систем является автоматическое управление технологическим оборудованием на автоматизированном промышленном предприятии. Контроллер, управляющий процессом, измеряет его параметры, а также параметры окружающей среды, и передает команды исполнительным устройствам либо формирует аварийные оповещения. Промышленные контроллеры представляют собой, как правило, микропроцессорные устройства, архитектура которых оптимизирована для решения задач данного промышленного предприятия. Линии передачи данных топологии «точка-точка» в таких системах подвержены сильным электромагнитным помехам от воздействия окружающей среды.

Преобразователи постоянного напряжения, используемые в промышленном производстве, работают с высокими входными напряжениями и обеспечивают изолированные от входа напряжения для питания нагрузки. Для питания устройств распределенной системы, не имеющих собственного сетевого источника питания, используются напряжения 24 или 48 В DC. Питание оконечной нагрузки осуществляется напряжением 12 или 5 В, полученным путем преобразования входного напряжения. Системам, обеспечивающим связь с удаленными датчиками или исполнительными устройствами, требуется защита от переходных процессов, электромагнитных помех и разности потенциалов земли.

Многие компании, такие как Maxim Integrated, прилагают большие усилия, чтобы интегральные микросхемы для промышленных применений отличались высокой надежностью и устойчивостью к неблагоприятной электромагнитной обстановке. Приемопередатчики RS-485 производства компании Maxim содержат встроенные цепи защиты от высоковольтных электростатических разрядов и импульсных перенапряжений и обладают возможностью «горячей» замены без потери данных в линии.

Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий

Усиленная защита от ЭСР

Электростатический разряд (ЭСР) возникает при соприкосновении двух противоположно заряженных материалов, вследствие чего происходит перенос статических зарядов и формируется искровой разряд. ЭСР часто возникает при контакте людей с окружающими предметами. Искровые разряды, возникающие при небрежном обращении с полупроводниковыми приборами, могут существенно ухудшить их характеристики или привести к полному разрушению полупроводниковой структуры. ЭСР может возникнуть, например, при замене кабеля или простом прикосновении к порту ввода-вывода и привести к отключению порта вследствие выхода из строя одной или нескольких микросхем интерфейса (рисунок 4).

Подобные аварии могут приводить к значительным убыткам, так как повышают стоимость гарантийного ремонта и воспринимаются потребителями как следствие низкого качества продукта. В промышленном производстве ЭСР представляет собой серьезную проблему, способную причинить убытки в миллиарды долларов ежегодно. В реальных условиях эксплуатации ЭСР может привести к отказу отдельных компонентов, а иногда и системы в целом. Для защиты интерфейсов передачи данных могут использоваться внешние диоды, однако некоторые интерфейсные микросхемы содержат встроенные компоненты защиты от ЭСР и не требуют дополнительных внешних цепей защиты. На рисунке 5 показана упрощенная функциональная схема типовой встроенной цепи защиты от ЭСР. Импульсные помехи в сигнальной линии ограничиваются диодной схемой защиты на уровнях напряжения питания V CC и земли и, таким образом, защищают внутреннюю часть схемы от повреждений. Производимые в настоящее время микросхемы интерфейсов и аналоговые коммутаторы со встроенной защитой от ЭСР в основном соответствуют стандарту МЭК (IEC) 61000-4-2.

Компания Maxim Integrated инвестировала значительные средства в разработку микросхем с надежной встроенной защитой от ЭСР и в настоящее время занимает лидирующие позиции в производстве приемопередатчиков интерфейсов от RS-232 до RS-485. Данные устройства выдерживают воздействие испытательных импульсов ЭСР, соответствующих МЭК (IEC) 61000-4-2 и JEDEC JS-001, непосредственно на порты ввода-вывода. Решения компании Maxim в области защиты от ЭСР отличаются надежностью, доступностью, отсутствием дополнительных внешних компонентов и меньшей стоимостью по сравнению с большинством аналогов. Все микросхемы интерфейсов производства этой компании содержат встроенные элементы, обеспечивающие защиту каждого вывода от ЭСР, возникающих в процессе производства и эксплуатации. Приемопередатчики семейства MAX3483AE /MAX3485AE обеспечивают защиту выходов передатчиков и входов приемников от воздействия высоковольтных импульсов амплитудой до ±20 кВ. При этом сохраняется нормальный режим работы изделий, не требуется выключения и повторного включения питания. Кроме того, встроенные элементы защиты от ЭСР обеспечивают функционирование при включении и выключении питания, а также в дежурном режиме с низким энергопотреблением.

Защита от перенапряжений

В промышленных применениях входы и выходы драйверов RS-485 подвержены сбоям, возникающим в результате импульсных перенапряжений. Параметры импульсных перенапряжений отличаются от ЭСР – в то время как длительность ЭСР обычно находится в диапазоне до 100 нс, длительность импульсных перенапряжений может составлять 200 мкс и более. Причинами возникновения перенапряжений могут быть ошибки проводного монтажа, плохие контакты, поврежденные или неисправные кабели, а также капли припоя, которые могут образовывать токопроводящее соединение между силовыми и сигнальными линиями на печатной плате или в разъеме. Поскольку в промышленных системах электропитания используются напряжения, превышающие 24 В, воздействие таких напряжений на стандартные приемопередатчики RS-485, не имеющие защиты от перенапряжений, приведет к их выходу из строя в течение нескольких минут или даже секунд. Для защиты от импульсных перенапряжений обычные микросхемы интерфейса RS-485 требуют дорогостоящих внешних устройств, выполненных на дискретных компонентах. Приемопередатчики RS-485 со встроенной защитой от перенапряжений способны выдерживать синфазные помехи в линии передачи данных до ±40, ±60 и ±80 В. Компания Maxim производит линейку приемопередатчиков RS-485/RS-422 MAX13442E …MAX13444E , устойчивых к постоянным напряжениям на входах и выходах до ±80 В относительно земли. Элементы защиты функционируют независимо от текущего состояния микросхемы, – включена ли она, выключена или находится в дежурном режиме, – что позволяет характеризовать данные приемопередатчики как наиболее надежные в отрасли, идеально подходящие для промышленных применений. Приемопередатчики производства компании Maxim сохраняют работоспособность при перенапряжениях, обусловленных замыканием силовых и сигнальных линий, ошибками проводного монтажа, неправильным подключением разъемов, дефектами кабелей и неправильной эксплуатацией.

Устойчивость приемников к неопределенным состояниям линии

Важной характеристикой микросхем интерфейса RS-485 является невосприимчивость приемников к неопределенным состояниям линии, что гарантирует установку высокого логического уровня на выходе приемника при разомкнутых или замкнутых входах, а также при переходе всех передатчиков, подключенных к линии, в неактивный режим (высокоимпедансное состояние выходов). Проблема корректного восприятия приемником сигналов замкнутой линии данных решается путем смещения порогов входного сигнала до отрицательных напряжений -50 и -200 мВ. Если входное дифференциальное напряжение приемника V A – V B больше или равно -50 мВ – на выходе R 0 устанавливается высокий уровень. Если V A – V B меньше или равно -200 мВ – на выходе R 0 устанавливается низкий уровень. При переходе всех передатчиков в неактивное состояние и наличии в линии оконечной нагрузки дифференциальное входное напряжение приемника близко к нулю, вследствие чего на выходе приемника устанавливается высокий уровень. При этом запас помехоустойчивости по входу составляет 50 мВ. В отличие от приемопередатчиков предыдущего поколения, пороги -50 и -200 мВ соответствуют значениям ±200 мВ, установленным стандартом EIA/TIA-485.

Возможность «горячей» замены

Литература

Application note 4491, «Damage from a Lightning Bolt or a Spark–It Depends on How Tall You Are!»;
Application note 5260, «Design Considerations for a Harsh Industrial Environment»;
Application note 639, «Maxim Leads the Way in ESD Protection».

В современной технике все большее значение приобретает обмен информацией между различными устройствами. А для этого требуется передавать данные как на небольшие расстояния, так и на значительные, порядка километров. Один из таких видов передачи данных – связь между устройствами по интерфейсу RS-485.

Где необходимо передавать данные по RS 485.

Один из самых распространенных примеров применения устройств для обмена данными – . Электросчетчики, объединяемые в единую сеть, рассредоточены по шкафам, ячейкам распределительных устройств и даже подстанциях, находящимся на значительном удалении друг от друга. В этом случае интерфейс служит для отправки данных от одного или нескольких устройств учета.

Система «один счетчик – один модем» активно внедряется для передачи данных в службы энергосбытовых компаний от узлов учета частных домов, небольших предприятий.

Другой пример: получение данных от микропроцессорных терминалов релейной защиты в режиме реального времени, а также централизованный доступ к ним с целью внесения изменений. Для чего терминалы обвязываются через интерфейс связи аналогичным образом, а данные от него поступают в компьютер, установленный у диспетчера. В случае срабатывания защиты оперативный персонал имеет возможность сразу же получить информацию о месте действия и характере повреждения силовых цепей.

Но самой сложной задачей, решаемой интерфейсами связи, являются системы централизованного управления сложными производственными процессами – АСУ ТП. У оператора промышленной установки на столе есть компьютер, на дисплее которого он видит текущее состояние процесса: температуры, производительность, включенные и отключенные агрегаты, их режим работы. И имеет возможность всем этим управлять легким щелчком мыши.

Компьютер же обменивается данными с контроллерами – устройствами, преобразующими команды от датчиков на язык, понятный машине, и обратное преобразование: от языка машины в команды управления. Связь с контроллером, а также – между разными контроллерами, осуществляется через интерфейсы связи.

Интерфейс RS-232 — младший брат RS 485.

Нельзя хотя бы коротко не упомянуть об интерфейсе RS-232, который еще называют последовательным. Разъем под соответствующий порт имеют некоторые ноутбуки, а некоторые цифровые устройства (те же терминалы релейной защиты) снабжаются выходами для связи с помощью RS-232.

Для того, чтобы обмениваться информацией, нужно уметь ее передавать и принимать. У для этого есть передатчик и приемник сигналов. Они имеются в каждом устройстве. Причем выход передатчика одного устройства (TX) соединяется со входом приемника другого устройства (RX). И, соответственно, по другому проводнику аналогичным образом сигнал движется в обратную сторону.

При этом обеспечивается полудуплексный режим связи, то есть, приемник и передатчик могут работать одновременно. Данные по кабелю RS-232 могут в одно и то же время перемещаться и в одну, и в другую сторону.

Недостаток этого интерфейса – низкая помехозащищенность. Это происходит из-за того, что сигнал в соединительный кабель и на прием, и на передачу формируется относительно общего провода – земли. Любая наводка, существующая даже в экранированном кабеле, может привести к сбою связи, потере отдельных битов информации. А это недопустимо при управлении сложными и недешевыми механизмами, где любая ошибка – авария, а потеря связи – длительный простой.

Поэтому в основном применяется для небольших временных подключений ноутбука к цифровому устройству, например, для установки начальной конфигурации или исправления ошибок.

Организация интерфейса RS-485.

Главное отличие RS-458 от RS-232 – все приемники и передатчики работают на одну пару проводов, являющуюся линией связи. Провод земли при этом не используется, а сигнал в линии формируется дифференциальным методом. Он передается одновременно по двум проводам («А» и «В») в инверсном виде.

Если на выходе передатчика – логический «0», то на проводник «А» выдается нулевой потенциал. На проводнике «В» формируется сигнал «не 0», то есть – «1». Если передатчик транслирует «1», получается все наоборот.

В итоге получаем изменение напряжения сигнала между двумя проводами, представляющими собой витую пару. Любая наводка, попадая в кабель, изменяет напряжение относительно земли одинаково на обоих проводах пары. Но напряжение полезного сигнала формируется между проводами, а поэтому – ничуть не страдает от потенциалов на них.

Порядок обмена данными между устройствами по RS-485.

Все устройства, объединяемые интерфейсом RS-485, имеют всего два клеммы: «А» и «В». Для подключения к общей сети эти клеммы соединяются в параллельную цепь. Для этого от одного устройства к другому прокладывается цепочка кабелей.

При этом возникает необходимость упорядочить обмен данными между устройствами, установив очередность передачи и приема, а также – формат пересылаемых данных. Для этого служит специальная инструкция, называемая протоколом.

Протоколов обмена данными по интерфейсу RS-485 существует много, наиболее часто используемый – Modbas. Вкратце рассмотрим, как работает простейший протокол, и какие еще проблемы приходится решать с его помощью.

Для примера разберем сеть, в которой одно устройство собирает данные с нескольких источников данных. Это может быть модем и группа электросчетчиков. Для того, чтобы знать, от какого счетчика пойдут данные, каждому приемопередатчику присваивается номер, уникальный для данной сети. Номер присваивается и приемопередатчику модема.

Когда приходит пора собирать данные о расходе электроэнергии, модем формирует запрос. Сначала передается стартовый импульс, по которому все устройства понимают, что сейчас придет кодовое слово – посылка из последовательности нулей и единиц. В ней первые биты будут соответствовать номеру абонента в сети, остальное – данные, например, команда передать требуемую информацию.

Все устройства принимают посылку и сравнивают номер вызываемого абонента со своим собственным. Если они совпадают – выполняется команда, переданная в составе запроса. Если нет – устройство игнорирует его текст и не делает ничего.

При этом во многих протоколах посылается назад подтверждение, что команда принята к исполнению или выполнена. Если ответа нет, передающее устройство может повторить запрос определенное количество раз. Если реакции так и не последует, генерируются сведения об ошибке, связанные с неисправностью канала связи с молчащим абонентом.

Ответа может не последовать не только при поломке. При наличии сильных помех в канале связи, которые все-таки проникают туда, команды могут не доходить до пункта назначения. Еще они подвергаются искажениям и не правильно при этом распознаются.

Неверного выполнения команды допустить нельзя, поэтому в данные посылки вводят заведомо избыточную информацию – контрольную сумму. Она подсчитывается по определенному закону, прописанному в протоколе, на передающей стороне. На приемной подсчитывается контрольная сумма по такому же принципу и сравнивается с переданной. Если они совпадают, прием считается успешным, и команда выполняется. Если нет – устройство пересылает на передающую сторону сообщение об ошибке.

Требования к кабельным соединениям.

Для соединения устройств интерфейсом RS-485 используются кабели «витая пара». Хоть для передачи данный достаточно одной пары проводов, обычно применяются кабели минимум с двумя, чтобы был заложен резерв.

Для лучшей защиты от помех кабели экранируются, при этом экраны на всей линии соединяют друг с другом. Для этого на объединяемых устройствах помимо выводов «А» и «В» имеется клемма «СОМ». Заземляется линия только в одной точке, обычно в месте расположения контроллера, модема или компьютера. В двух точках это делать запрещено, чтобы избежать наводок, которые неизбежно пойдут по экрану из-за разности потенциалов в точках заземления.

Кабели соединяют только последовательно друг с другом, делать ответвления нельзя. Для согласования линии в ее конце подключается резистор с сопротивлением 120 Ом (это волновое сопротивление кабеля).

В целом монтаж кабельных линий интерфейса – простое занятие. Гораздо сложнее будет настроить аппаратуру, для чего понадобятся люди со специальными знаниями.

Для лучшего понимая работы интерфейса RS-485 предлагаем Вам посмотреть следующее видео: