Заставить похудеть конструкции с применением RS-485 просто, если вы понимаете, как в то же самое время сохранить хорошее качество связи. Эта статья охватывает факты, мифы и злые шутки, о которых вам следует знать для достижения этой цели.
В системах промышленной автоматизации и автоматизации зданий применяется ряд удаленных устройств сбора данных, которые передают и принимают информацию через центральный модуль, предоставляющий доступ к данным пользователям и другим процессорам. Регистраторы данных и считывающие устройства типичны для таких приложений. Почти идеальная линия передачи данных для этих целей определена стандартом RS-485, который связывает устройства сбора данных кабелем на основе витой пары.
Поскольку многие из устройств сбора и накопления данных в сетях RS-485 являются компактными автономными устройствами с батарейным питанием, для контроля за их тепловыделением и увеличения срока службы батарей необходимо принятие мер по снижению их энергопотребления. Точно так же экономия энергии важна для носимых устройств и других приложений, в которых интерфейс RS-485 используется для загрузки данных в центральный процессор.
Следующий раздел предназначен в первую очередь для тех, кто не знаком с RS-485.
RS-485: история и описание
Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом "RS" (Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил "RS" на "EIA/TIA" с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день, различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений.
Стандарты RS-485 и RS-422 имеют много общего, и поэтому их часто путают. Таблица 1 сравнивает их. RS-485, определяющий двунаправленную полудуплексную передачу данных, является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим множественные приемники и драйверы в шинных конфигурациях. EIA/TIA-422, с другой стороны, определяет единственный однонаправленный драйвер с множественными приемниками. Элементы RS-485 обратно совместимы и взаимозаменяемы со своими двойниками из RS-422, однако драйверы RS-422 не должны использоваться в системах на основе RS-485, поскольку они не могут отказаться от управления шиной.
Таблица 1. Стандарты RS-485 и RS-422
| RS-422 | RS-485 | |
| Режим работы | Дифференциальный | Дифференциальный |
| Допустимое число Tx и Rx | 1 Tx, 10 Rx | 32 Tx, 32 Rx |
| Максимальная длина кабеля | 1200 м | 1200 м |
| Максимальная скорость передачи данных | 10 Мбит/с | 10 Мбит/с |
| Минимальный выходной диапазон драйвера | ± 2 В | ± 1.5 В |
| Максимальный выходной диапазон драйвера | ± 5 В | ± 5 В |
| Максимальный ток короткого замыкания драйвера | 150 мА | 250 мА |
| Сопротивление нагрузки Tx | 100 Ом | 54 Ом |
| Чувствительность по входу Rx | ± 200 мВ | ± 200 мВ |
| Максимальное входное сопротивление Rx | 4 кОм | 12 кОм |
| Диапазон напряжений входного сигнала Rx | ± 7 В | от -7 В до +12 В |
| Уровень логической единицы Rx | > 200 мВ | > 200 мВ |
| Уровень логического нуля Rx | < 200 мВ | < 200 мВ |
Защита от электростатических разрядов
Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 и RS-422 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников кроме того могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от значительно больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.
Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым ее касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля. Для защиты от таких разрушительных воздействий, интерфейсные микросхемы MAXIM включают "ESD структуры". Эти структуры защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15кВ.
Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, Maxim осуществляет многократное тестирование положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200В, для проверки последовательности уровней до ±15кВ. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела (Human Body Model) или IEC 1000-4-2) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом "E".
Допустимая нагрузка драйвера RS-485/RS-422 количественно определяется в терминах единичной нагрузки, которая, в свою очередь, определяется как входной импеданс одного стандартного приемника RS-485 (12кОм). Таким образом, стандартный драйвер RS-485 может управлять 32 единичными нагрузками (32 параллельных 12-килоомных нагрузки). Однако для некоторых приемников RS-485 входное сопротивление является более высоким - 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или даже 96 кОм (1/8 единичной нагрузки) - и, соответственно, к одной шине могут быть подключены сразу 128 или 256 таких приемников. Вы можете подключить любую комбинацию типов приемников, если их параллельный импеданс не превышает 32 единичных нагрузки (т.е. суммарное сопротивление не меньше 375 Ом).
Последствия высоких скоростей
Более быстрые передачи требуют более высоких скоростей нарастания напряжения на выходе драйвера, а они, в свою очередь, производят большие уровни электромагнитных помех (EMI). Некоторые приемопередатчики RS-485 сводят EMI к минимуму, ограничивая их скорости нарастания. Меньшие скорости нарастания также помогают контролировать отражения, вызванные быстрыми переходными процессами, высокими скоростями передачи данных или длинными линиями связи. Основой для минимизации отражений является использование согласующих резисторов с номиналами, соответствующими волновому сопротивлению кабеля. Для обычных кабелей RS-485 (витая пара проводов 24AWG) это означает размещение 120-омных резисторов на обоих концах линии связи.
Куда уходит вся мощность?
Очевидным источником потери мощности является ток покоя приемопередатчика (IQ), который в современных устройствах значительно снижен. В таблице 2 токи покоя малопотребляющих КМОП приемопередатчиков сравниваются с являющимся промышленным стандартом устройством 75176.
Таблица 2. Сравнение токов утечки для различных приемопередатчиков RS-485
Другая характеристика энергопотребления приемопередатчиков RS-485 проявляется при отсутствии нагрузки, разрешении выхода драйвера и присутствии периодического входного сигнала. Поскольку открытых линий в RS-485 нужно избегать всегда, драйверы "долбят" свои выходные структуры при каждом переключении выхода. Это короткое включение обоих выходных транзисторов немедленно вызывает бросок тока питания. Достаточно большой входной конденсатор сглаживает эти броски, производя действующий (RMS) ток, который растет вместе со скоростью передачи данных до своего максимального значения. Для приемопередатчиков MAX1483 этот максимум равен примерно 15 мА.
Подключение стандартного приемопередатчика RS-485 к минимальной нагрузке (еще один приемопередатчик, два согласующих и два защитных резистора) позволяет измерить зависимость тока питания от скорости передачи данных в более реальных условиях. На рисунке 2 представлена зависимость ICC от скорости передачи данных для MAX1483 при следующих условиях: стандартные резисторы на 560 Ом, 120 Ом и 560 Ом, VCC = 5В, DE = /RE\ = VCC, и кабель длиной 300 м.
Как вы можете видеть из рисунка 2, ток потребления возрастает приблизительно до 37мА даже при чрезвычайно низких скоростях передачи данных; это вызвано прежде всего добавлением согласующих резисторов и резисторов защитного смещения. Для малопотребляющих приложений, это должно продемонстрировать важность типа используемого согласования, равно как и способа достижения отказоустойчивости. Отказоустойчивость обсуждается в следующем разделе, а подробное описание согласования имеется в разделе "Злые шутки согласования".
Отказоустойчивость
При напряжениях на входах приемников RS-485 в диапазоне от -200мВ до +200мВ, выходное состояние остается неопределенным. Иными словами, если дифференциальное напряжение на стороне RS-485 в полудуплексной конфигурации равно 0В и ни один из приемопередатчиков не ведет линию (или соединение разорвано), тогда логическая единица и логический ноль на выходе равновероятны. Для обеспечения определенного состояния на выходе в таких условиях, большинство современных приемопередатчиков RS-485 требуют установки резисторов защитного смещения: резистор задания начального высокого уровня (pullup) на одну линию (A) и низкого уровня (pulldown) на другую (B), как это показано на рисунке 1. Исторически, резисторы защитного смещения в большинстве схем указывались с номиналом 560 Ом, однако для снижения энергопотерь (когда согласование производится только на одном конце линии связи) это значение можно увеличить приблизительно до 1,1 кОм. Некоторые разработчики устанавливают на обоих концах резисторы с номиналами от 1,1кОм до 2,2кОм. Здесь приходится искать компромисс между помехоустойчивостью и энергопотреблением.
Рисунок 1. Три внешних резистора формируют цепь согласования и защитного смещения для данного приемопередатчика RS-485.
Рисунок 2. Зависимость тока питания приемопередатчика MAX1483 от скорости передачи данных.
Производители приемопередатчиков RS-485 прежде исключали необходимость использования внешних смещающих резисторов, обеспечивая внутренние резисторы положительного смещения по входам приемника, однако такой подход был эффективен только для решения проблемы разомкнутых цепей. Резисторы положительного смещения, используемые в этих псевдоотказоустойчивых приемниках были слишком слабы для установления уровня на выходе приемника в согласованной шине. Другие попытки избежать использования внешних резисторов за счет изменения пороговых значений приемника на 0В и -0,5В нарушали спецификацию RS-485.
Семейство приемопередатчиков MAX3080 и MAX3471 компании Maxim решило обе эти проблемы, определив точный диапазон пороговой чувствительности от -50мВ до -200мВ, устранив, таким образом, потребность в резисторах защитного смещения, сохраняя при этом полное соответствие стандарту RS-485. Эти микросхемы гарантируют, что 0В на входе приемника вызовет высокий логический уровень на выходе. Более того, эта конструкция гарантирует известное состояние выхода приемника для условий замкнутой и разорванной линии.
Как было показано в таблице 2, приемопередатчики сильно различаются значениями их токов покоя. Таким образом первым шагом в деле сохранения энергии должен стать выбор малопотребляющего устройства, такого, как MAX3471 (2,8 мкА при отключенном драйвере, до 64 Кбит/с). Поскольку потребление энергии существенно возрастает при передаче данных, другой целью является минимизация времени работы драйверов за счет передачи коротких телеграмм (блоков данных, прим. пер.) с длительными периодами ожидания между ними. В таблице 3 представлена структура типовой телеграммы последовательной передачи.
Таблица 3. Телеграмма последовательной передачи
Система на основе RS-485, использующая приемники в одну единичную нагрузку (до 32 адресуемых устройств), может, например, иметь следующие биты: 5 битов адреса, 8 битов данных, стартовые биты (все кадры), стоповые биты (все кадры), биты четности (необязательные), и биты CRC (необязательные). Минимальная длина телеграммы для такой конфигурации - 20 битов. Для безопасных передач, вы должны послать дополнительную информацию, такую как размер данных, адрес отправителя и направление, которая увеличит длину телеграммы до 255 байтов (2040 битов).
Подобное изменение длины телеграммы со структурой, определяемой такими стандартами, как X.25, обеспечивает надежность данных за счет увеличения времени использования шины и потребляемой мощности. Например, передача 20 битов при 200 Кбит/с потребует 100 мкс. При использовании MAX1483 для ежесекундной отправки данных на скорости 200 Кбит/с, средний ток составит
(100 мкс * 53 мА + (1 с - 100 мкс) * 20 мкА) / 1 с = 25.3 мкА
Когда приемопередатчик находится в неактивном режиме (idle mode), его драйвер должен быть отключен для минимизации потребляемой мощности. В таблице 4 демонстрируется влияние длины телеграммы на потребляемую мощность одиночного драйвера MAX1483, который работает с определенными перерывами между передачами. Использование режима отключения (shutdown mode) может еще больше снизить потребляемую мощность в системе, использующей технологию опроса через фиксированные промежутки времени или более длинные, детерминированные перерывы между передачами.
Таблица 4. Соотношение между длиной телеграммы и потребляемым током при использовании драйвера MAX1483
В дополнение к этим программным соображениям, аппаратные средства предлагают множество мест для усовершенствования в части энергопотребления. На рисунке 3 сравниваются токи, потребляемые различными трансиверами при передаче сигнала прямоугольной формы по 300-метровому кабелю с активными драйверами и приемниками. 75ALS176 и MAX1483 используют стандартную согласующую цепь 560Ом/120Ом/560Ом на обоих концах линии связи, в то время, как "истино безотказные" ("true failsafe") устройства (MAX3088 и MAX3471) имеют лишь 120-омные согласующие резисторы на обоих концах шины. При 20 Кбит/с токи потребления ранжируются от 12,2мА (MAX3471 с напряжением питания VCC = 3.3V) до 70мА (75ALS176). Таким образом, значительное сокращение потребления возникает немедленно, как только вы выбираете малопотребляющее устройство со свойством "истиной безотказности", которая, кроме того, исключает необходимость установки резисторов защитного смещения (на землю и на линию питания VCC). Убедитесь, что приемник выбранного вами приемопередатчика RS-485, выдает на выход правильные логические уровни для условий как замкнутой, так и разомкнутой цепи.
Рисунок 3. Микросхемы приемопередатчиков сильно отличаются зависимостью тока потребления от скорости передачи данных.
Злые шутки согласования
Как было отмечено выше, согласующие резисторы устраняют отражения, вызваные рассогласованием импедансов, однако их недостаток - дополнительное рассеяние мощности. Их влияние показано в таблице 5, в которой приводятся токи потребления для различных приемопередатчиков (при активном драйвере) для условий отсутствия резисторов, использования только согласующих резисторов, а также комбинации согласующих резисторов и резисторов защитного смещения.
Таблица 5. Использование согласующих резисторов и резисторов защитного смещения увеличивает потребляемый ток
| MAX1483 | MAX3088 | MAX3471 | SN75ALS176 | |
| I VCC (no RT) | 60 мкА | 517 мкА | 74 мкА | 22 мкА |
| I VCC (RT =120) | 24 мкА | 22.5 мкА | 19.5 мкА | 48 мкА |
| I VCC (RT = 560-120-560) | 42 мкА | N/A | N/A | 70 мкА |
Исключение согласования
Первый способ уменьшения потребляемой мощности состоит в том, чтобы вообще устранить согласующие резисторы. Этот вариант возможен только для коротких линий связи и низких скоростей передачи данных, которые позволяют отражениям успокоиться еще до того, как данные будут обработаны приемником. Как показывает практика, согласование не нужно, если время нарастания сигнала по крайней мере в четыре раза превосходит время задержки одностороннего прохождения сигнала через кабель. Следующие шаги используют это правило для вычисления максимальной допустимой длины несогласованного кабеля:
Таким образом, MAX3471 может обеспечить приличное качество сигнала при передаче и приеме на скорости 64Кбит/с по 38-метровому кабелю без согласующих резисторов. Рисунок 4 демонстрирует достигнутое драматическое снижение потребления MAX3471, когда 30 метров кабеля без согласующего резистора используются вместо 300 метров кабеля и 120 согласующих резисторов.
Рисунок 4. Согласующие резисторы - основной потребитель мощности.
RC-согласование
На первый взгляд, способность RC согласования блокировать постоянный ток является весьма многообещающей. Вы найдете, однако, что эта техника налагает определенные условия. Согласование состоит из последовательной RC цепочки, включенной параллельно дифференциальным входам приемника (A и B), как показано на рисунке 5. Несмотря на то, что R всегда равно волновому сопротивлению кабеля (Z 0), выбор C требует некоторых рассуждений. Большая величина C обеспечивает хорошее согласование, позволяя любому сигналу видеть R, которое соответствует Z0, однако большие значения также увеличивают пиковое значение выходного тока драйвера. К сожалению, более длинные кабели требуют больших значений емкости C. Целые статьи были посвящены определению номинала C для достижения этого компромисса. Вы можете найти детальные уравнения на эту тему в руководствах, ссылки на которые приведены в конце настоящей статьи.
Рисунок 5. RC согласование снижает потребление, однако требует тщательного выбора номинала C.
Среднее напряжение сигнала - другой важный фактор, который часто игнорируется. Если только среднее напряжение сигнала не сбалансировано по постоянному току, эффект зубчатого контура (stair-stepping effect) по постоянному току вызывает значительные дрожания из-за эффекта, известного как "межсимвольная интерференция." Если коротко, то RC согласование эффективно для снижения потребления, однако оно склонно к разрушению качества сигнала. Поскольку RC согласование налагает так много ограничений на свое использование, лучшая альтернатива во многих случаях - отсутствие согласования вообще.
Согласование на диодах Шотки
Диоды Шотки предлагают альтернативный метод согласования, когда большая потребляемая мощность вызывает беспокойство. В отличие от других типов согласования, диоды Шотки не пытаются соответствовать волновому сопротивлению шины. Вместо этого, они просто подавляют положительные и отрицательные выбросы на фронтах импульсов, вызванные отражением. В результате, изменения напряжения ограничены положительным пороговым напряжением и нулем.
Цепь согласования на диодах Шотки впустую рассеивает незначительную энергию, поскольку они проводят только при наличии положительных и отрицательных выбросов. С другой стороны, стандартное резистивное согласование (как с резисторами защитного смещения, так и без оных), постоянно рассеивает мощность. Рисунок 6 иллюстрирует использование диодов Шотки для борьбы с отражениями. Диоды Шотки не обеспечивают отказоустойчивую работу, однако уровни порогового напряжения, выбранные в приемопередатчиках MAX308X и MAX3471, дают возможность реализовать отказоустойчивую работу с этим типом согласования.
Рисунок 6. Несмотря на дороговизну, цепь согласования на диодах Шотки имеет много достоинств.
Диод Шотки, наилучшее доступное приближение к идеальному диоду (нулевое прямое напряжение Vf, нулевое время включения tON и нулевое время обратного восстановления trr), представляет большой интерес в качестве замены энергоемких согласующих резисторов. Недостаток такого согласования в системах на основе RS-485/RS-422 заключается в том, что диоды Шотки не могут подавлять все отражения. Как только отраженный сигнал угаснет ниже прямого напряжения диода Шотки, его энергия останется незатронутой согласующими диодами и сохранится до тех пор, пока не будет рассеяна кабелем. Существенно или нет это затяжное возмущение, зависит от величины сигнала на входах приемника.
Главный недостаток Шотки-терминатора - его стоимость. Одна точка согласования требует двух диодов. Поскольку шина RS-485/RS-422 является дифференциальной, это число снова умножается на два (Рисунок 6). Использование на шине многжественных Шотки-терминаторов не является необычным.
Терминаторы на диодах Шотки дают много преимуществ для систем на основе RS-485/RS-422, и экономия энергии - главное из них (Рисунок 7). Не нужно ничего вычислять, поскольку специфицированные ограничения для длины кабеля и скорости передачи данных будут достигнуты раньше, чем какие либо ограничения Шотки-терминатора. Другое преимущество заключается в том, что множественные Шотки-терминаторы в различных ответвлениях и на входах приемников улучшают качество сигнала без загрузки коммуникационной шины.
Рисунок 7. Потребляемый ток в системах RS-485 сильно зависит от скорости передачи данных и типа согласования.
Подведение итогов
Когда скорость передачи данных высока и кабель имеет большую длину, в системе RS-485 трудно обеспечить сверхмалое потребление (в оригинале "flea power" - "мощность блохи", - Прим. пер.), поскольку возникает необходимость устанавливать на линии связи согласующие устройства (терминаторы). В этом случае приемопередатчики с функцией "истиной помехоустойчивости" на выходах приемников могут экономить энергию даже при использовании терминаторов, устраняя потребность в резисторах защитного смещения. Программная организация связи также позволяет снизить потребляемую мощность, переводя приемопередатчик в отключенное состояние или запрещая драйвер, когда он не используется.
Для более низких скоростей и более коротких кабелей разница в энергопотреблении огромна: Передача данных со скоростью 60 Кбит/с по 30-метровому кабелю при использовании стандартного приемопередатчика SN75ALS176 со 120-омными согласующими резисторами потребует от системы электропитания ток 70мА. С другой стороны, использование MAX3471 при тех же самых условиях потребует только 2,5мА от источника питания.
RS-485 представляет собой стандарт, который был впервые принят в Ассоциации электронной промышленности. На сегодняшний момент данный стандарт рассматривает электрические характеристики всевозможных приемников и передатчиков, использующихся в различных балансных цифровых системах.
Среди специалистов RS-485 представляет собой название достаточно популярного интерфейса, который активно используется в различных промышленных АСУТП для соединения нескольких контроллеров, а также множества других устройств между собой. Главным отличием данного интерфейса от не менее распространенного RS-232 является то, что он предусматривает объединение одновременно нескольких видов оборудования.
При помощи RS-485 обеспечивается скоростной обмен информацией между несколькими устройствами через единственную двухпроводную линию связи в полудуплексном режиме. Его достаточно широко используют в современной промышленности в процессе формирования АСУТП.
При помощи данного стандарта достигается транслирование информации на скорости до 10 Мбит/с, при этом предельно возможная дальность будет непосредственно зависеть от того, с какой скоростью транслируются данные. Таким образом, для обеспечения предельной скорости данные могут передаваться не далее чем на 120 метров, в то время как при скорости 100 кбит/с информация транслируется более чем на 1200 метров.
Количество устройств, которые может объединять в себе интерфейс RS-485, будет непосредственно зависеть от того, какие в устройстве используются приемопередатчики. Каждый передатчик рассчитан на одновременное управление 32 стандартными приемниками, однако при этом нужно понимать, что есть приемники, входное сопротивление которых составляет 50 %, 25 % или даже еще меньшую часть от стандартного, и в случае использования такого оборудования общее количество устройств будет увеличиваться соответственно.
Кабель RS-485 не нормирует какой-то определенный формат информационных кадров или же протокол обмена. В преимущественном большинстве случаев для применяются точно такие же фреймы, которые использует RS-232, то есть биты данных, стоповый и стартовый биты, а также бит паритета в случае необходимости.
Работа протоколов обмена в большинстве современных систем осуществляется по принципу «ведущий-ведомый», то есть какое-то устройство в сети является ведущим и берет на себя инициативу обмена посылкой запросов между всеми подчиненными устройствами, различающимися между собой по логическим адресам. Наиболее популярным протоколом на сегодняшний день является Modbus RTU.
Стоит отметить, что кабель RS-485 не имеет также какого-то определенного типа соединителей или же распайки, то есть могут встречаться клеммные соединители, DB9 и другие.
Чаще всего с применением данного интерфейса встречается локальная сеть, объединяющая в себе одновременно несколько приемопередатчиков.
Осуществляя подключение RS-485, нужно грамотно объединять между собой сигнальные цепи, называемые обычно А и В. В данном случае переполюсовка является не такой страшной, просто подключенные устройства не будут работать.
Используя интерфейс RS-485, вам следует учитывать несколько особенностей его работы:
При помощи терминальных резисторов стандартный или USB RS-485 обеспечивает полноценное согласование открытого конца кабеля с последующей линией, полностью исключая возможность отражения сигнала.
Номинальное сопротивление резисторов является соответствующим волновому сопротивлению кабеля и для тех кабелей, которые основываются на витой паре, в преимущественном большинстве случаев составляет приблизительно 100-120 Ом. К примеру, достаточно популярный на сегодняшний день кабель UTP-5, активно использующийся в процессе прокладки Ethernet, имеет волновое сопротивление 100 Ом. Для других вариантов кабеля может использоваться и какой-нибудь другой номинал.
Резисторы в случае необходимости могут запаиваться на контактах кабельных разъемов уже в конечных устройствах. Редко резисторы устанавливаются в самом устройстве, вследствие чего для подключения резистора приходится устанавливать перемычки. В данном случае, если осуществляется отключение устройства, линия полностью рассогласовывается. И для того чтобы обеспечить нормальную работу всей остальной системы, нужно подключить согласующую заглушку.
Порт RS-485 использует балансную схему транслирования данных, то есть уровни напряжения на сигнальных цепях А и В будут изменяться в противофазе.
При помощи датчика должен обеспечиваться уровень сигнала 1.5 В при предельной нагрузке, а также не более 6 В в том случае, если устройство работает на холостом ходу. Уровень напряжения измеряется дифференциально, каждый сигнальный провод относительно другого.
Там, где находится приемник, минимальный уровень принимаемого сигнала в любом случае должен находиться на уровне не меньше 200 мВ.
В том случае, если отсутствует сигнал на сигнальных цепях, происходит незначительное смещение, которым обеспечивается защита приемника от случаев ложного срабатывания.
Специалисты рекомендуют осуществлять смещение немного больше 200 мВ, так как данное значение является соответствующим зоне недостоверности входного сигнала по стандарту. В данном случае цепь А подтягивается к положительному полюсу источника, в то время как цепь В подтягивается к общему.
В соответствии с необходимым смещением и напряжением источника питания осуществляется расчет К примеру, если нужно получить смещение на уровне 250 мВ при использовании терминальных резисторов R T = 120 Ом при том, что источник имеет напряжение 12 В. Учитывая, что в данном случае два резистора включены параллельно друг другу и при этом абсолютно не берут во внимание нагрузку со стороны приемника, ток смещения составляет 0.0042 А, в то время как общее сопротивление цепи смещения составляет 2857 Ом. R см в данном случае будет составлять приблизительно 1400 Ом, поэтому нужно выбрать какой-нибудь ближайший номинал.
В качестве примера будет использоваться резистор 1.5 кОм, предназначенный для смещения, а также внешний резистор на 12 вольт. Помимо этого, в нашей системе присутствует развязанный выход блока питания контроллера, представляющий собой ведущее звено в своем сегменте цепи.
Конечно, есть масса других вариантов реализации смещения, в которых используется преобразователь RS-485 и другие элементы, но в любом случае, осуществляя размещение цепей смещения, нужно учитывать то, что узел, который будет его обеспечивать, периодически будет выключаться или даже в конечном итоге может быть полностью удален из сети.
Если присутствует смещение, то в таком случае потенциал цепи А на полностью холостом ходу является положительным по отношению к цепи В, что является ориентиром, если будет подключаться новое устройство к кабелю без маркировки проводов.
Выполнение указанных выше рекомендаций позволяет добиться нормальной передачи электрических сигналов в различные точки сети, если в качестве основы используется протокол RS-485. Если будет не соблюдено хотя бы какое-то из требований, будут возникать искажения сигнала. Наиболее заметные искажения начинают появляться в том случае, если скорость обмена данными превышает 1 Мбит/с, однако на самом деле даже в случае меньших скоростей крайне не рекомендуется пренебрегать указанными рекомендациями, даже если сеть «и так нормально работает».
В процессе программирования различных приложений, работающих с устройствами, использующими разветвитель RS-485 и другие устройства с данным интерфейсом, нужно учитывать несколько важных моментов. Перечислим их:
Данный интерфейс предусматривает возможность объединения устройств по формату «шина», когда все устройства объединяются при помощи единственной пары проводов. В данном случае линия связи в обязательном порядке должна согласовываться оконечными резисторами двух концов.
Для обеспечения согласования в данном случае устанавливаются резисторы, характеризующиеся сопротивлением 620 Ом. Они устанавливаются всегда на первом и последнем устройстве, подключенном к линии. В преимущественном большинстве современных устройств присутствует также встроенное согласующее сопротивление, которое в случае необходимости можно включить в линию посредством установки специальной перемычки на плату прибора.
Так как в состоянии поставки перемычки изначально установлены, нужно первоначально снять их со всех устройств, соответственно, кроме первого и последнего, подключенных к линии. В преобразователях-повторителях модели С2000-ПИ для каждого отдельного выхода согласующее сопротивление включается с помощью переключателя, в то время как устройства С2000-КС, а также С2000-К характеризуются встроенным согласующим сопротивлением, вследствие чего перемычка, необходимая для его подключения, отсутствует.
Для того чтобы обеспечить более длинную линию связи, рекомендуется использовать специализированные повторители-ретрансляторы, оснащенные полностью автоматическим переключением направления передачи.
Любые ответвления в линии RS-485 являются нежелательными, потому что в данном случае появляется достаточно сильное искажение сигнала, однако с практической точки зрения их можно допустить в том случае, если присутствует небольшая длина ответвления. В данном случае не требуется установка согласующих резисторов на отдельных ответвлениях.
В распределительной системе RS-485, управление которой осуществляется с пульта, если последний и устройства подключены к одной линии, но питаются от разных источников, нужно будет объединять цепи 0 В всех устройств и пульта для того, чтобы обеспечить выравнивание их потенциалов. Если данное требование не будет соблюдено, то в таком случае пульт может иметь неустойчивую связь с устройствами. Если будет использоваться кабель с несколькими витыми парами проводов, то в таком случае для цепи выравнивания потенциалов при необходимости может использоваться полностью свободная пара. Помимо всего прочего, предусматривается также возможность применения экранированной витой пары в том случае, если отсутствует заземление экрана.
В преимущественном большинстве ток, который проходит по проводу выравнивания потенциалов, является достаточно маленьким, однако в том случае, если 0 В устройств или же самих источников питания будут подключаться к нескольким локальным шинам заземления, разность потенциалов между различными цепями 0 В может составлять несколько единиц, а в некоторых случаях даже десятков вольт, в то время как ток, протекающий по цепи выравнивания потенциалов, может являться довольно значительным. Именно это является частой причиной того, что присутствует неустойчивая связь между пультом и устройствами, вследствие чего они даже могут выходить из строя.
Именно по этой причине нужно исключить возможность заземления цепи 0 В или же, как максимум, заземлять данную цепь в какой-то определенной точке. Также нужно учитывать возможность взаимосвязи между 0 В и цепью защитного заземления, присутствующей в том оборудовании, которое используется в системе ОПС.
На объектах, для которых характерна достаточно тяжелая электромагнитная обстановка, предусматривается возможность подключения данной сети через кабель "экранированная витая пара". В данном случае может присутствовать меньшая предельная дальность, так как емкость кабеля является более высокой.
Максимально возможная дальность линии RS-485 определяется, в основном, характеристиками кабеля и электромагнитной обстановкой на объекте эксплуатации. При использовании кабеля с диаметром жил
0,5 мм (сечение около 0,2 кв. мм) длина линии RS-485 – не более 1200 м,
при сечении 0,5 кв. мм – не более 3000 м.
Использование кабеля с сечением жил менее 0,2 кв. мм нежелательно.
При большой протяжённости линии RS-485 (от 100 м) использование витой пары обязательно.
Для подключения приборов к интерфейсу RS-485 необходимо контакты "A" и "B" приборов подключить соответственно к линиям A и B интерфейса. Интерфейс RS-485 предполагает использование соединения между приборами типа "шина", когда все приборы соединяются по интерфейсу одной парой проводов (линии A и B), согласованной с двух концов согласующими резисторами (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема подключения приборов к магистральному интерфейсу RS-485
Для согласования используются резисторы сопротивлением 620 Ом, которые устанавливаются на первом и последнем приборах в линии. Большинство приборов имеет встроенное согласующее сопротивление, которое может быть включено в линию установкой перемычки («джампера») на плате прибора. Поскольку в состоянии поставки перемычки установлены, их нужно снять на всех приборах, кроме первого и последнего в линии RS-485. В преобразователях-повторителях "С2000-ПИ" согласующее сопротивление для каждого (изолированного и неизолированного) выхода RS-485 включается переключателями. В приборах "С2000-К" и "С2000-КС" встроенное согласующее сопротивление и перемычка для его подключения отсутствуют. Если прибор такого типа является первым или последним в линии RS-485, необходимо установить между клеммами "A" и "B" резистор сопротивлением 620 Ом. Этот резистор входит в комплект поставки прибора. Пульт "С2000М" ("С2000") может быть установлен в любом месте линии RS-485. Если он является первым или последним прибором в линии, между клеммами "A" и "B" устанавливается согласующий резистор 620 Ом (входит в комплект поставки). Ответвления на линии RS-485 нежелательны, так как они увеличивают искажение сигнала в линии, но практически допустимы при небольшой длине ответвлений (не более 50 метров). Согласующие резисторы на отдельных ответвлениях не устанавливаются. Ответвления большой длины рекомендуется делать с помощью повторителей "С2000-ПИ", как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Построение сети RS-485 c топологией "звезда" при помощи повторителей
Рисунок 3. Увеличение длины линии RS-485 с помощью повторителей интерфейса
Например, преобразователь – повторитель интерфейсов с гальванической изоляцией "С2000-ПИ" позволяет увеличить длину линии максимум на 1500 м, обеспечивает гальваническую изоляцию между сегментами линии и автоматически отключает короткозамкнутые сегменты интерфейса RS-485 .
Каждый изолированный сегмент линии RS-485 должен быть согласован с двух сторон – в начале и конце. Следует обратить внимание на включение согласующих резисторов в каждом сегменте линии RS-485: они должны быть включены переключателями в повторителях "С2000-ПИ", а не перемычками в приборах, поскольку переключатели не только подключают согласующее сопротивление, но также выдают в линию RS-485 напряжение смещения, которое необходимо для правильной работы этих повторителей. Внимание! Цепи "0В" изолированных сегментов линии между собой не объединяются. Более того, нельзя питать изолированные приборы от общего источника питания во избежание гальванической связи через общие цепи питания.
С помощью повторителей "С2000-ПИ" можно делать длинные ответвления от основной магистрали RS-485 для построения топологии "звезда". При этом должен быть согласован и сегмент, от которого делается ответвление, и каждое из ответвлений, как показано на рисунке 2. Следует обратить особое внимание, что согласующие резисторы на "С2000-ПИ" должны устанавливаться переключателями.
Следующая информация была предоставлена техподдержкой компании "Болид" в процессе переписки.
Если теряется сам пульт, то мы рекомендуем программой rs-485settings в пульте увеличить параметр "пауза перед ответом по RS-232" до 2.
Если теряется прибор «С2000-2», а пульт при этом виден, то рекомендуем проверить, правильно ли поставлены оконечные резисторы R=620 Ом, а также объединены ли "0В" приборов. На всех приборах кроме пульта "С2000" согласующее сопротивление под- ключается, если установлена соответствующая перемычка на плате прибора. Оконечные резисторы должны стоять на первом и последнем приборах.
Если все требования к интерфейсу выполнены, причиной проблемы может быть обрыв одной из линий RS485 ("A" или "B") или ее замыкание на цепь "0 В", шлейф сигнализации прибора или заземленную поверхность (например, в результате защемления ка- беля металлической коробкой двери. Обрыв одной из линий RS-485 не обязательно приведет к потере связи со всеми приборами, если цепи "0 В" приборов и "С2000-ПИ" объединены и линия RS-485 имеет небольшую длину. Но в этом случае уровни сигна- лов RS-485 будут за пределами диапазона, гарантирующего их правильное распознава- ние приемником. Замыкание на "0 В" может произойти и в цепях защиты какого - либо из приборов в результате пробоя защитного диода (представляет собой стабилитрон с большой допустимой импульсной мощностью рассеивания) или из-за заводского брака, например, в результате установки защитного диода в неверной полярности. Такой при- бор может не только сам иметь проблемы со связью с пультом по RS-485, но также мо- жет мешать всем приборам изолированной ветки.
Для начала можно прозвонить линию тестером на отсутствие обрыва или замыкания линии или выходов RS-485 приборов на "0 В". При прозвонке выходов "A" и "B" приборов нужно иметь ввиду, что в целях защиты указанные выходы зашунтированы защитными диодами, причем катод подключен к защищаемому выходу, а анод - к "0 В". Поэтому в исправном приборе в прямой полярности (плюсовой щуп тестера - к выходу, минусовой - к "0 В") выходы прозваниваться не должны, а в обратной (к выходу подключается минусовой щуп тестера), в зависимости от величины измерительного напряжения, тестер может показать низкое сопротивление, соответствующее прямому падению напряжения на диоде (т.е. около 0,6 - 0,7 В). Если выход прозванивается на 0 В в любой полярности, это говорит и "сваривании" защитного диода. Если выход прозванивается в полярности, противоположной указанной, это может свидетельствовать о заводском браке (неправильная установка защитного диода).
Также обращаем Ваше внимание на то, что схемотехника защитных цепей RS-485 в новых версиях приборов была изменена (например, у Сигналов-20П - начиная с версии 2.04). "Новые" исправные защитные цепи не прозваниваются ни в прямой, ни в обратной полярности. ВАЖНО: цепи нужно прозванивать тестером В РЕЖИМЕ ПРОЗВОНКИ ДИ- ОДОВ. В режиме измерения сопротивлений измерительное напряжение у многих тестеров меньше прямого падения напряжения на диоде, поэтому, при прозвонке новых це- пей защиты, исправная цепь защиты может мало отличаться от неисправной (в обоих случаях тестер может показать сопротивление порядка нескольких десятков кОм). Кроме прозвонки цепей "A" и "B" относительно "0 В" в обеих полярностях, имеет смысл сделать аналогичное измерение между "A" и "B" (перемычка, включающая нагрузочное сопротивление линии RS-485, должна быть снята).
Прозваниваться эти цепи не должны при любой полярности измерения (для "новых" цепей защиты).
Более точные выводы можно сделать, если исследовать сигнал в линии RS-485 с помощью осциллографа. Измеряется сигнал между линией "А" и "В" вблизи входа RS-485 прибора и пульта. Щуп осциллографа устанавливается на линию "A", общий - на линию "B" (здесь нужно быть внимательным, поскольку у некоторых осциллографов "общий" вход заземлен через заземляющий контакт вилки, что может вносить искажения или по- мехи, особенно если в системе уже есть другие точки заземления). На осциллографе должны быть видны двухполярные импульсы. Передаче "1" соответствует положитель- ная полярность, передаче "0" - отрицательная. Длина одного бита передаваемой ин- формации - около 0,1 мс. Условие достоверного приема таково: если на входе прием- ника напряжение больше 0,2 В, принимается "1", если меньше -0,2 В - принимается "0". Если же напряжение находится в диапазоне от -0,2 до 0,2 В, результат не определен и работоспособность RS-485 не гарантирована. Следовательно, с помощью осциллог- рафа нужно измерить уровни сигналов "0" и "1" и убедиться, что они удовлетворяют ука- занным условиям. На выходе пульта напряжение сигнала "1" обычно равно около +4 В, напряжение "0" - около -4 В. На выходе "С2000-ПИ" при передаче "0" напряжение будет также около -4 В, а при передаче "1" - около + 0,4 В при одном включенном оконечном резисторе 620 Ом и около 0,22 В - при двух оконечных резисторах. По при переходе из "0" в "1" "С2000-ПИ" формирует короткий (около 0,03 мс) импульс с величиной напряже- ния около +4 В. Если сигнал имеет размах от 0 В до -4 В или от +4 В (или +0,2 В для "С2000-ПИ") до 0 В, можно сделать вывод о замыкании одной из линий RS-485 на цепь "0 В".
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:
Сначала делаем конфигурацию мача:
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).
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.
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.
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».
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Здесь очень важно, чтобы протяженность от витой пары была наименьшая.
Рис. 7. Сеть с несколькими приемниками и одним передатчиком.
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.
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.
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.
