Інтерфейс RS-485: опис

У цій статті ми розберемо широко застосовується стандарт для промислових мереж. Мова йде про інтерфейс RS 485. Представимо його опис, технічну характеристику, а також порівняння з двома іншими популярними інтерфейсами RS – 232, RS-422.

Визначення поняття

Інтерфейс RS-485 (розшифровка абревіатури: Recommended Standard 485) – стандарт фізичного рівня (електрична і фізичне середовище для передачі інформації) для асинхронного інтерфейсу (вузла обчислювальної техніки, призначеного для організації зв’язку з іншими електронними, цифровими пристроями). В технічній літературі також можна зустріти наступне найменування інтерфейсу RS 485: Electronic Industries Alliance-485.

Даний стандарт регламентує електричні параметри багатоточкової напівдуплексного диференціальної лінії зв’язку (тип – “загальна шина”). Сьогодні інтерфейс досить популярний у відповідних галузях промисловості. Що можна виділити насамперед? Він став базою для створення цілого комплексу-сімейства промислових мереж, які застосовуються у виробничій автоматизації.

Тепер що стосується подвійного назви. Інтерфейс RS 485 був розроблений в результаті співпраці двох корпорацій: Telecommunications Industry Association (Асоціації промислових засобів зв’язку) і Electronic Industries Association (Асоціації електронного виробництва). Раніше EIA для своїх розробок використовувала маркування RS (в перекладі з англійської – “рекомендований стандарт”).

Однак потім корпорація замінила даний префікс на EIA/TIA, щоб стало можливим легко ідентифікувати творців стандарту. Але все ж багато інженери вважають за краще використовувати в роботі, технічних статтях колишню маркування RS.

Опис інтерфейсу

Щоб розібратися з перетворювачем інтерфейсу RS-485/RS-232 (останній ми коротко представимо у висновку статті), потрібно знати основні параметри. Розглянемо найголовніші:

• Дальність і швидкість. Інтерфейс може забезпечити передачу інформації зі швидкістю до 10 Мбіт в секунду. Максимальна дальність тут буде залежати від швидкості.
• Кількість з’єднуються апаратів. Кількість пристроїв, підключених до однієї лінії, залежить від різновиду застосовуваних приймачів. Один розрахований на управління 32 приймачами стандартного типу.
• Роз’єми і протоколи. Розроблений стандарт не нормує протокол обміну і формати інформаційних кодів. Чому часто використовуються перетворювачі інтерфейсів RS-232/RS-485? Для передачі байтів інформації тут використовуються ідентичні фрейми: стоповий і стартовий біт, біти паритету і даних. У більшості систем протоколи будуть функціонувати за принципом “ведучий-ведений”. Як це виглядає? Одне з пристроїв магістралі обирається ведучим. Воно ініціює обмін, надсилаючи відповідні запити підлеглих пристроїв. Останні розрізняються за логічними адресами.

Технохарактеристики інтерфейсу

RS 485 – це одна кручена пара проводів, яка і використовується для прийому і передачі даних. В деяких випадках її супроводжує загальний провід або экранизирующая обведення.

Дані відразу передаються шляхом диференційованих сигналів. Логічна одиниця – різниця напруги між провідниками однієї полярності, нуль – відповідно, різниця напруги між провідниками іншої полярності.

Що важливо знати про разветвителе інтерфейсу RS 485? Сам стандарт формує тільки електричні і тимчасові його (інтерфейсу) характеристики. При цьому стандарт не буде обумовлювати наступне:

• Типи кабелів і з’єднувачів.
• Протокол обміну.
• Різні протоколи якості сигналу (нормальний рівень відбиттів і спотворень у довгих лініях).
• Гальванічні розв’язки лінії зв’язку.

Особливості тимчасові і електричні

Наведемо важливі для інженерів характеристики популярного промислового інтерфейсу RS 485:

• В одному сегменті мережі – до 32 приймачів.
• Найбільша тривалість одного сегмента мережі: 1200 метрів.
• Одномоментно активним тут може бути тільки єдиний передавач.
• Максимально допустиме число вузлів в мережі – 256 (враховуючи кількість магістральних підсилювачів).
• Види приймачів: потенційний і диференціальний.
• Зміна вихідних і вхідних напруг на лініях А і В представлені таким чином: Ua (Ub) від -7 до -12 (відповідно, +7 до +12 В).

Характеристики щодо швидкості обміну даними, що визначає довжину всієї лінії:

• 62,5 Кбіт/сек. – 1,2 тис. метрів (використовується вита пара).
• 375 Кбіт/сек. – 500 метрів (використовується вита пара).
• 500 Кбіт/сек.
• 1000 Кбіт/сек.
• 2400 Кбіт/сек. – 100 метрів (використовуються дві виті пари).
• 10000 Кбіт/сек. – 10 метрів.

Важлива примітка для інтерфейсу RS 485. Стандарт обумовлює тільки такі швидкості: 62,5 Кбіт/сек, 2400 Кбит/сек, 375 Кбіт/сек. На всіх інших (більш 500 Кбіт/сек) рекомендовано використання кручених пар з екраном.

Тепер перейдемо до вимог, встановленими для вихідного каскаду. Він повинен являти собою джерело напруги, що має малий опір: |U вих|=1,5:5,0 (не менше 1,5 і не більше 6,0). Звідси виходить наступне:

• Стан логічного “1”: Ua менше Ub – MARK, OFF. Для даного випадку гістерезис 200 мВ.
• Стан логічного “0”: Ua більше Ub – SPACE, ON. Для даного випадку гістерезис також 200 мВ. Треба сказати, що виробники пристроїв (драйверів, мікросхем) вибирають менші показники – гістерезис від 10 мВ.
• Вихідний каскад обов’язково повинен витримувати режими короткого замикання, а також мати найбільший вихідний струм 259 мА, схеми обмеження вихідних потужностей, швидкість збільшення вихідних сигналів 1,2 В/мкс.

При використанні розгалужувачі інтерфейсу RS 485 також важливо бути в курсі вимог, зазначених для вхідного каскаду. Він являє собою диференціальний вхід, має високий вхідний опір. Його граничні характеристики: від +200 мВ до -200 мВ. Наступні важливі дані:

• Вхідний сигнал представляється диференційним напругою (Ui +0,2 В і більше).
• Допустимий діапазон (щодо землі) вхідних напруг: проміжок від -7 до +12 Ст.
• Щоб дізнатися рівні вхідного каскаду приймача, слід звернутися до стану вихідного каскаду передавача.

Характеристики сигналу

Оповідаючи про підключення RS 485, наведемо і цю інформацію. Для передачі сигналу стандартом визначаються такі лінії:

• Неинвертирующая А.
• Інвертуюча Ст.
• Нуль, необов’язкова загальна лінія С.

Згідно стандарту, також визначається наступне:

• VA VB більше. Нерівність відповідає логічному 0. Це активний стан шини.
• VA менше VB. Нерівність відповідає логічній 1. Відповідно, це неактивний стан шини.

Тут при описі станів шини буде застосовуватися інверсна логіка. А логіка однополярних сигналів на виході вході приймача і передавача не буде визначатися.

Хоча наведене визначення досить недвозначну, нерідко виникає плутанина з приводу того, як слід правильно позначати неінвертуючий і інвертують лінії – А або В. Щоб уникнути її (при підключенні RS 485), інженерами використовуються інші позначення. Наприклад, “мінус” і “плюс”.

Але при цьому більшість виробників все ж дотримуються приписів стандарту. Неинвертирующая лінія позначається символом А. Відповідно, високий сигнальний рівень на вході передавача стане відповідати станом VA> VB на шині. Також нерівність буде тотожно високому рівню сигналу, що спостерігається на виході приймача.

Зміщення та узгодження

Що важливо знати в продовження теми про разветвителе RS 485 ще? Пропонуємо вам торкнутися також інформацію про перешкоди, які можуть виникнути в лінії зв’язку.

І ось що важливо знати про викривлення. При великій тривалості лінії зв’язку часто з’являються ефекти довгих ліній. Корінь проблеми криється в розподілених індуктивних і ємнісних властивостей кабелів. Що виходить в результаті? Сигнал, переданий в лінію будь-якого з вузлів, починає спотворюватися за тривалістю поширення в ній (лінії). З’являються складні резонансні явища.

Так як кабель на своїй довжині відрізняється однаковою конструкцією, однаковими розподіленими параметрами погонною індуктивності і ємності, ця властивість буде характеризуватися спеціальним параметром. Це хвилевий опір.

Якщо на одному кінці кабелю буде підключений резистор з опором, ідентичним хвильовому опору лінії, те в результаті резонансні явища стануть значно слабкіше. Назва такого резистора – термінатор. Для мереж виду RS 485 він поміщається на кожній з країв довгих ліній, так як обидві сторони можуть опинитися прийомними. Хвильовий опір найпопулярніших кручених пар САТ5 – 100 ОМ. Інші різновиди мають показники в 150 Ом і більше. А стрічкові плоскі кабелі – до 300 Ом.

На практиці номінал резистора вибирають і більшого значення, ніж хвильовий опір, так як омічний опір кабелю часом стає настільки великим, що сигнальна амплітуда на приймальній стороні стає занадто малою для стійкого прийому. Тут знаходять рівновагу між резонансними і амплітудними спотвореннями, підвищуючи номінал термінатора і знижуючи швидкість інтерфейсу.

Розгалужувачі RS 485 – широко застосовуються пристрої. Знову ж варто бути в курсі того, що для передачі сигналу через подсоединяемую виту пару характерний ще одне джерело його спотворення. Це різні швидкості поширення низькочастотних і високочастотних сигналів (останні будуть поширюватися швидше).

Щоб не було перешкод, лінія зв’язку повинна послідовно обходити всі передавачі. І ще важливий момент. У витої пари не повинно бути довгих відводів (дільниць-відрізів кабелю для під’єднання до вузла). Виняток: використання повторювачів інтерфейсу, низькі швидкості передачі даних (менше 9600 біт/с).

Якщо активний передавач відсутня, то рівень сигналу в лініях не визначається. Щоб запобігти ситуацію, коли різниця між виходами В і А менше 200 мВ (невизначений стан), можна застосувати зміщення за допомогою спеціальної схеми або резисторів. Приймачі стануть приймати сигнал перешкоди в тому разі, якщо стан ліній не визначено. Для їх стабілізації, якісного початку прийому часом застосовуються передачі службових послідовностей.

Особливості підключення

Крім перетворювачів RS 485, хочеться детальніше зупинитися на підключення. На основі цього інтерфейсу конструюється локальна мережа, що об’єднує в собі кілька приймачів.

Найважливіше тут – правильно під’єднати сигнальні ланцюга, позначені А та В. Переполюсовка не буде страшною помилкою. Але пристрій в такому випадку функціонувати відмовиться.

При підключенні рекомендується мати на увазі наступні рекомендації фахівців:

• Середовище передачі сигналу кабель на базі витої пари.
• На кінцях кабелю обов’язкова заглушка термінальними резисторами (в межах 120 Ом).
• Мережа прокладається без відгалужень, по топології шини.
• Пристрої підключаються до кабелю за допомогою проводів найменшої довжини.

Приклади використання

Перетворювачі RS 485 поширені у промисловій сфері. Розглянемо також мережні протоколи, що використовують даний стандарт:

• High-Level Data Link Control.
• ModBus.
• LanDrive.
• IEC 60870-5.
• DMX512.

На основі RS 485 побудовані наступні промислові мережі:

• ModBus.
• LanDrive.
• ProfiBus DP.

Рекомендації з програмування

Сфера застосування перетворювача інтерфейсу RS 485 широка. У даному пункті ми докладніше зупинимося на програмуванні тих додатків для контролерів, що для зв’язку використовують даний інтерфейс:

• Перед початком посилки передавач вимикається. Необхідно витримати паузу, яка дорівнює тривалості одного кадру (чи перевищує його), включаючи при цьому як стартові, так і стопові біти. Чим це добре? Приймач встигне нормалізуватися і повністю підготується до першої передачі кадру даних.
• Після видачі фінального байта інформації також рекомендується почекати паузу перед дезактивацією передавача. З чим це пов’язано? У контролерів послідовного порту два регістри: сдвиговый вихідний для послідовного виведення і вхідний для передачі інформації. Переривання по передачі формується контролером тільки при спустошенні його вхідного регістра. Інформація тут, виходить, вже викладена в сдвиговой регістр, але ще не видана. Тому з моменту переривання до дезактивації передавача повинна витримуватися пауза. Її орієнтовна тривалість – на 0,5 біта більш кадру. Щоб розрахувати точні значення, необхідно вивчити супровідну документацію контролера послідовного порту.
• Так як і приймач, передавач даного інтерфейсу підключені до однієї і тієї ж лінії, то виникає своєрідна ситуація. Приймач чує передачу даних від власного передавача. Якщо для системи характерний довільний доступ до лінії, то така особливість застосовується для перевірки відсутності “зіткнень” між собою двох передавачів. Якщо система працює за принципом “ведучий-ведений”, на час передачі просто радиться закривати від приймача переривання.

Відмінності інтерфейсів rs232, rs422 / 485

Давайте порівняємо ці популярні стандарти. Об’єднує інтерфейси RS 232, RS 485, RS-422 те, що вони використовуються для передачі цифрової інформації. При цьому 232 більш відомий як СОМ-порт комп’ютера. А інші два поширені в промисловому середовищі для з’єднання між собою різного обладнання.

Відмінності RS 232, RS 485 можливо відстежити, представивши технічну характеристику цих інтерфейсів. Почнемо з 232:

• Тип передачі даних: повний дуплекс.
• Максимальна довжина: 15 метрів при 9600 біт/сек.
• Контакти, що задіяні в роботі: TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, GND.
• Топологія: “точка-точка”.
• Найбільше число підключаються: одне.

Тепер в порівнянні RS 232, RS 485, RS-422 наступний інтерфейс. Це 422:

• Тип передачі даних: повний дуплекс.
• Максимальна довжина: 1200 метрів при 9600 біт/сек.
• Контакти, що задіяні в роботі: TxA, TxB, RxA, RxB, GND.
• Топологія: “точка-точка”.
• Найбільше число підключених пристроїв: одне (десять в режимі прийому).

Порівнюються між собою перетворювачі RS 232, RS 485. Наведемо коротку характеристику останнього інтерфейсу, головного в нашому оповіданні:

• Тип передачі даних: напівдуплекс (тобто два дроти) або повний дуплекс (чотири дроти).
• Максимальна довжина: 1200 метрів при 9600 біт/сек.
• Контакти, що задіяні в роботі: DataA, DataB, GND.
• Топологія: багатоточкова.
• Найбільше число підключених пристроїв: 32 (з повторювачами їх число може дорости до 256).

Ось і все, що ми хотіли розповісти про інтерфейс RS 485, широко застосовується сьогодні в промисловості для передачі інформації між пристроями, апаратурою. За якими характеристиками він схожий з родинними стандартами, за яким (зв’язок, передача даних, усунення перешкод) істотно відрізняється від них.