Характеристика стандарта передачи данных RS485

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

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 RS485. RS485 (Recommended Standard 485 или EIA/TIA-485) - рекомендованный стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи. Совместная разработка ассоциаций: Electronic Industries Alliance (EIA) и Telecommunications Industry Association (TIA). Стандарт описывает только физические уровни передачи сигналов (т.е. только 1-й уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI). Стандарт не описывает программную модель обмена и протоколы обмена.

1. Интерфейс RS485

Интерфейс RS485 (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 RS485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS485 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.

Рисунок 1. Дифференциальная передача данных

синфазный двухпроводниковый полудуплексный

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 RS232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода («земли»). А при дифференциальной передаче искажения не происходит. Стандартно интерфейс RS485 до 32 приемопередатчиков на шине. Однако существуют варианты реализации с большим количеством узлов (до 256).

Длина линии связи определена спецификацией стандарта 1200 м. Топология линии - линейная, с согласующими сопротивлениями на обоих концах линии. Скорость передачи данных может достигать 10 Мбит/с 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 RS485 рекомендует, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом.

Достоинства RS485:

· Хорошая помехоустойчивость.

· Большая дальность связи.

· Однополярное питание +5 В.

· Простая реализация драйверов.

· Возможность широковещательной передачи.

· Многоточечность соединения.

Недостатки RS485:

· Большое потребление энергии.

· Отсутствие сервисных сигналов.

· Возможность возникновения коллизий.

1.1 Свойства RS485

Интерфейс RS485 обладает следующими свойствами:

· Двунаправленная полудуплексная передача данных:

Поток последовательных данных передаётся одновременно только в одну сторону, передача данных в другую сторону требует переключения приёмопередатчика. Приёмопередатчики принято называть "драйверами"(driver), это устройство или электрическая цепь, которая формирует физический сигнал на стороне передатчика.

· Симметричный канал связи:

Для приёма/передачи данных используются два равнозначных сигнальных провода. Провода означаются латинскими буквами "А" и "В". По этим двум проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использовании витой пары симметричный канал существенно повышает устойчивость сигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения создаваемые полезным сигналом.

· Дифференциальный (балансный способ передачи данных):

При этом способе передачи данных на выходе приёмопередатчика изменяется разность потенциалов, при передаче "1" разность потенциалов между AB положительная при передаче "0" разность потенциалов между AB отрицательная. То есть, ток между контактами А и В, при передачи "0" и "1", течёт (балансирует) в противоположных направлениях.

· Многоточечность:

Допускает множественное подключение приёмников и приёмопередатчиков к одной линии связи. При этом допускается подключение к линии только одного передатчика в данный момент времени, и множество приёмников, остальные передатчики должны ожидать освобождения линии связи для передачи данных.

· Низкоимпендансный выход передатчика:

Буферный усилитель передатчика имеет низкоомный выход, что позволяет передавать сигнал ко многим приёмникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32-м приёмникам на один передатчик. Кроме этого, токовый сигнал используется для работы "витой пары" (чем больше рабочий ток "витой пары", тем сильнее она подавляется синфазные помехи на линии связи).

· Зона нечувствительности:

Если дифференциальный уровень сигнала между контактами АВ не превышает ±200мВ, то считается, что сигнал в линии отсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.

1.2 Технические характеристики RS485

Интерфейс RS485 обладает следующими техническими характеристиками:

· Допустимое число приёмопередатчиков (драйверов) 32,

· Максимальная длина линии связи 1200 м (4000ft),

· Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с,

· Минимальный выходной сигнал драйвера ±1,5 В,

· Максимальный выходной сигнал драйвера ±5 В,

· Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА,

· Выходное сопротивление драйвера 54 Ом,

· Входное сопротивление драйвера 12 кОм,

· Допустимое суммарное входное сопротивление 375 Ом,

· Диапазон нечувствительности к сигналу ±200 мВ,

· Уровень логической единицы (Uab) >+200 мВ,

· Уровень логического нуля (Uab) <-200 мВ.

Входное сопротивление для некоторых приёмников может быть более 12 кОм (единичная нагрузка). Например, 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или 96 кОм (1/8), что позволяет увеличить количество приёмников до 128 или 256. При разных входных сопротивлениях приёмников необходимо, чтобы общее входное сопротивление не было меньше 375 Ом.

1.3 Описание работы RS485

Так как, RS485 описывает только физический уровень процедуры обмена данными, то все проблемы обмена, синхронизации и квитирования, возлагаются на более высокий протокол обмена(ModBus , DCON и т.п.). Сам RS485 выполняет только следующие действия:

· Преобразует входящую последовательность "1" и "0" в дифференциальный сигнал.

· Передает дифференциальный сигнал в симметричную линию связи.

· Подключает или отключает передатчик драйвера по сигналу высшего протокола.

· Принимает дифференциальный сигнал с линии связи.

Если подключить осциллограф к контактам А-В (RS485) и контактам GND-TDx (RS232), то вы не увидите разницы в форме сигналов передаваемых в линиях связи. На самом деле, форма сигнала RS485 полностью повторяет форму сигнала RS232, за исключением инверсии (в RS232 логическая единица передается напряжением -12 В, а в RS485 +5 В).

Рисунок 2. Форма сигналов RS232 и RS485 при передаче двух символов "0" и "0"

Как видно из рисунка 2 происходит простое преобразование уровней сигнала по напряжению. Хотя форма сигналов одинаковая у выше указанных стандартов, но способ их формирования и мощность сигналов различны.

Интерфейс RS485, стал основным физическим интерфейсом для промышленных сетей передачи данных. Такие протоколы как ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 , работают на физическом уровне rs485.

1.4 Топология сети RS485

Сеть RS485 строится по последовательной шиной (bus) схеме, т.е. приборы в сети соединяются последовательно симметричными кабелями. Концы линий связи при этом должны быть нагружены согласующими резисторами - "терминаторами" (terminater), величина которых должна быть равна волновому сопротивлению кабеля связи.

Терминаторы выполняют следующие функции:

· Уменьшают отражение сигнала от конца линии связи.

· Обеспечивают достаточный ток через всю линию связи, что необходимо для подавления синфазной помехи с помощью кабеля типа "витая пара".

Рисунок 3. Топология сети RS485

Если расстояние сегмента сети превышает 1200 м или количество драйверов в сегменте более 32 штук, нужно использовать повторитель (repeater), для создания следующего сегмента сети. При этом каждый сегмент сети должен быть подключен к терминаторам. Сегментом сети при этом считается кабель между крайним прибором и повторителем или между двумя повторителями. RS485 не определяет, какой тип симметричного кабеля нужно использовать, но использует кабель типа "витая пара" с волновым сопротивлением 120 Ом.

Синий провод кабеля используется для соединения нулевого потенциала источников питания приборов в сети и называется "общий"(Common).

Провод без изоляции используется для заземления оплетки кабеля и называется "дренажный" (Drain).

В сегменте сети дренажный провод заземляется через сопротивление на шасси прибора, с одного из концов сегмента, чтобы не допустить протекания блуждающих токов через оплетку кабеля, при разном потенциале земли в удалённых точках.

Рисунок 4. Промышленный кабель Belden 3106A для RS485

2. Передача информации по RS485

Передача информации по RS485 может осуществляться на скорости до 10 Мбит/с. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми интерфейс может успешно использоваться, зависят от многих моментов (длина линии, типа проводов, наличие помех, наличие и величина терминатора и т.д.), которые должны учитываться при разработке схемы соединений устройств в системе.

Для передачи данных, как правило, используется кабель "витая пара", что, уменьшает электромагнитные и индуцируемые электромагнитные помехи (наводки). В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим "волновым сопротивлением", (обычно используется кабель типа UTP c волновым сопротивлением 100 Ом).

В линии RS485 устанавливается согласующий резистор на крайнем конце или концах кабеля. В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля. Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. отраженный сигнал вернется по кабелю обратно. Это может привести к сбоям в работе тем более заметным чем выше скорость в канале и длиннее линия.

Интерфейс связи RS485 является наиболее широко распространенным промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи и поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 (64, 128 - зависит от нагрузочных характеристик микросхем) и передачу на расстояние до 1200 м (практически можно можно и больше, но лучше меньше) Использование повторителей позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще N узлов. Однако надо иметь ввиду, что каждый ретранслятор вносит свои искажения сигнала. Больше двух - трех последовательно включенных ретрансляторов в сети желательно не ставить.

3. Применение RS485

Интерфейс RS485 - широко применяется в промышленности при создании АСУ ТП. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры содержат в своем составе интерфейс RS485.

Наличие интерфейса RS485, позволяет использовать его в системах КИПиА, АСУ, АСКУЭ.

Наличие интерфейса позволяет подключать большой спектр устройств:

· теплосчетчики;

· электросчетчики;

· промышленное оборудование;

· контроллеры;

· станки с программным управлением;

· датчики;

· карт-ридеры;

· исполнительные устройства.

Временные диаграммы устройств c RS485 на примере реле времени ЭРКОН-215:

Реле времени ЭРКОН-215 представляет собой одноканальный программируемый автомат и предназначено для автоматического замыкания-размыкания внешних цепей посредством группы переключающих контактов встроенного электромеханического реле с индикацией временного отсчёта.

Прибор может использоваться во всех процессах коммутации, управления, пуска-защиты и различных схемах регулирования, где требуется выдержка времени.

Интерфейс RS485 позволяет удалённо контролировать и управлять работой реле, программировать временные диаграммы и т. п. Поддержка протокола MODBUS RTU на этой полевой шине даёт возможность использовать ЭРКОН-215 в SCADA-системах, реализуя, таким образом, сложные алгоритмы управления.

Рисунок 5. Функциональная блок-схема реле времени ЭРКОН-215

Коммутирование внешних цепей реле времени ЭРКОН-215 производит по программе, заданной пользователем, при помощи синхронной группы контактов встроенного электромеханического реле.

Программа представляет собой последовательность замкнутых и разомкнутых состояний исполнительного устройства и для каждого из этих состояний задано значение выдержки времени, в течение которого это состояние должно поддерживаться. Замкнутое или разомкнутое состояние исполнительного устройства и соответствующая ему выдержка времени называются временным интервалом. ЭРКОН-215 позволяет пользователю задавать до 99 временных интервалов включительно, причём нечётным номерам интервалов соответствует разомкнутое состояние исполнительного устройства, а чётным номерам - замкнутое. Запрограммированная последовательность временных интервалов называется временной диаграммой, и её исполнение всегда начинается с наименьшего номера временного интервала, для которого задано ненулевое значение выдержки времени.

Рисунок 6. Пример временной диаграммы

На графиках состояние сигналов показано условно - замкнутому выходному контакту поставлен в соответствие высокий уровень, а разомкнутому - низкий.

По окончании выдержки времени одного временного интервала реле времени автоматически переходит к отработке следующего интервала, для которого задано ненулевое значение и т. д.

Во время исполнения временной диаграммы возможно изменение значения любого ранее запрограммированного временного интервала. Причем, если производится изменение значения временного интервала, отрабатываемого в данный момент, то в случае ввода нового значения меньшего, чем уже отработанный временной промежуток от начала текущего интервала, данный интервал считается оконченным и происходит переход к отсчёту следующего интервала.

В случае ввода нового значения большего, чем уже отработанный временной промежуток от начала текущего интервала, данный интервал продолжает отрабатываться, но длительность его будет определяться вновь введенным значением.

Наличие интерфейса RS485 увеличивает универсальность использования реле и уменьшает время, необходимое для подготовки реле времени к исполнению новых задач, так как изменение всех параметров меню оперативного управления и меню конфигурирования прибора можно производить дистанционно, посредством последовательной линии связи.

Заключение

Интерфейс RS485 является основным стандартом 1-го физического уровня (OSI) передачи данных по последовательным асинхронным каналам связи.

Интерфейс RS485 включен в состав многих сетевых протоколов, например:

· ModBus.

· ProfiBus DP.

· DCON (ICP CON).

· DH-485 (Allen Bradley).

· Овен (НПО "Овен").

· BitBus (Intel).

Список литературы

1. Интерфейс передачи данных RS-485. Руководство по эксплуатации», ЗАО ПКО «РАСКАТ», М. - 2006.

2. Мячев А.А. Интерфейсы систем данных: Справочник / Под ред. А.А. Мячева.

3. Николайчук О. Доступ к каналу сети RS485 // Схемотехника, 2002.

Размещено на Allbest.ru