Передача данных в промышленных сетях на основе RS485

Содержание статьи:

1. Способ передачи данных в промышленной сети RS-485
2. Реализация интерфейса на аппаратном уровне
3. Согласование в линиях связи промышленной сети RS-485

 

Способ передачи данных в промышленной сети RS-485

RS-485 (Recommended Standard 485) – стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Стандарт регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи. В настоящее время RS-485 широко распространен в промышленной автоматизации, его используют многие промышленные сети. Такая популярность связана с возможностью организации двустороннего обмена данными всего по одной витой паре проводов, он обеспечивает большую длину линии связи и высокую скорость передачи.

Передача данных в RS485 осуществляется по дифференциальному принципу. Один сигнал одновременно передается по двум проводам, по одному проводу (A) идет оригинальный сигнал, а по другому проводу (B) – его инверсная копия (см. рисунок). Если на одном проводе высокий уровень сигнала, то на другом – низкий. И наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при передаче логической единицы она положительна, при передаче нуля – отрицательна.

Такой способ передачи обеспечивает высокую степень защиты от помех. Поскольку два провода пролегают близко друг к другу и перевиты, синфазная наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

При разности напряжений на приемнике от +200 мВ до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы. Разность напряжения от -200 мВ до -7 В передается логический нуль. Согласно стандарту, дифференциальное напряжение на выходе передатчика должно быть не менее 1,5 В. Видно, что падение напряжения на омическом сопротивлении линии может достигать 1,3 В (порог срабатывания приемника 200 мВ). Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях связи. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Реализация интерфейса на аппаратном уровне

Как же организовать двустороннюю передачу такого сигнала между устройствами промышленной сети всего по двум проводам? RS-485 – полудуплексный интерфейс, где прием и передача разделены по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема.

На рисунке ниже приведена схема подключения к промышленной сети на основе RS-485 трех устройств. Каждое из них имеет передатчик D (driver) и приемник R (receiver). Здесь на DI подается сигнал, передаваемый передатчиком D, а с RO снимается сигнал, принимаемый приемником R. Для синхронизации их работы служат управляющие входы: разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Поскольку вход RE является инверсным, его соединяют с DE и переключают приемник и передатчик одним сигналом: низкий уровень напряжения – работа на прием, высокий – на передачу.

Если передачу выполняет устройство «2», а прием –  устройство «3», то выходы передатчиков «1» и «3» выключаются (переводятся в высокоомное состояние), т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники. А выходное сопротивление передатчиков устройств «1» и «3» не шунтирует линию.

Скорость передачи данных в RS-485 зависит от длины линии связи. Максимальная скорость может достигать 10 Мбит/с для линии 12 м. На линии максимальной длины 1200 м скорость передачи не будет превышать 100 кбит/с. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м, применяют специальные повторители.

Согласование в линиях связи промышленной сети RS-485

Осталось обсудить вопрос согласования в линиях связи промышленной сети. При высоких скоростях передачи и больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, начинают проявляться эффекты, связанные с конечной скоростью распространения электромагнитных волн в проводниках и отражением электрического сигнала от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Если длина линии достаточно большая, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить следующий передаваемый сигнал. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения.

Линия связи характеризуется волновым сопротивление. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от его длины. Для обычно применяемых витых пар волновое сопротивление составляет 120 Ом. Если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до конца линии, поглощается на таком резисторе, называемом согласующим резистором или терминатором.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи. В оба наиболее удаленных конца линии включают терминаторы R_c с сопротивлением 120 Ом (см. рисунок). Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

Помимо установки терминаторов для эффективной работы промышленной сети на основе RS-485 требуется еще несколько резисторов. При отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень, напряжение между линиями A и B по абсолютной величине может становиться меньше порогового (200 мВ). В результате на приемнике RO из-за несинфазной помехи могут формироваться произвольные логические уровни. Чтобы избежать передачи ошибочных сигналов, необходимо гарантировать разность потенциалов между линиями А и В более +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на приемнике логическую единицу, и поддерживает уровень стопового бита.

Для создания такого смещения используют два дополнительных резистора смещения (см. рисунок). Через резистор R_см1 линия А подключается к источнику питания, а через резистор R_см2 линия В соединяется с «землей». Формируется резистивный делитель, сопротивления R_см1 и R_см2 должны подбираться так, чтобы возникающий ток обеспечивал перепад напряжения + 200 мВ на соединенных параллельно резисторах: два согласующих R_с с номиналом 120 Ом, входные сопротивления приемников R_вх всех устройств сети (обычно по 12 кОм).

Очевидно, номиналы R_см1 и R_см2 зависят от количества устройств в сети и величины питающего напряжения. Рассмотрим два крайних примера: в сети нет устройств, установлены только терминаторы и в сети установлены 127 устройств. Величина питающего напряжения составляет 5 В. В первом случае получаем 3 последовательно соединенных между собой сопротивления: Rсм1, сопротивление сети, состоящей из соединенных параллельно двух сопротивлений R_с (составляет 120 Ом / 2 = 60 Ом), R_см2. Величина тока в такой цепи составляет 5 В / (R_см1 + R_см2 + 60 Ом). И нам требуется, чтобы перепад напряжения между линиями А и В составлял 200 мВ: 5 В / (R_см1 + R_см2 + 60 Ом) * 60 Ом = 200 мВ. Решая это уравнение относительно Rсм1 + Rсм2 получаем, что суммарное сопротивление резисторов смещения должно составлять 1440 Ом или менее.

Второй случай несколько сложнее, поскольку сеть представляет собой параллельное соединение двух сопротивлений R_с и 127 сопротивлений R_вх. Как известно, обратное значение сопротивления такой цепи равно: 2/(120 Ом) + 127/(12 кОм). Вычисления дают значения сопротивления такой цепи порядка 37 Ом. Величина тока определяется выражением 5 В / (R_см1 + R_см2 + 37 Ом), а перепад напряжения между линиями А и В составляет: 200 мВ = 5 В / (R_см1 + R_см2 + 37 Ом). В итоге получаем, что суммарное значение R_см1 + R_см2 должно составлять порядка 890 Ом или менее.

Компания Bronkhorst^® рекомендует использовать следующие номиналы резисторов смещения и согласования в зависимости от напряжения питания:

Напряжение питания	Резисторы согласования Rc	Резистор смещения Rсм1	Резистор смещения Rсм2
+5В	121 Ом	392 Ом	392 Ом
+10В	121 Ом	1210 Ом	392 Ом
+15В	121 Ом	2210 Ом	392 Ом
+24В	121 Ом	3480 Ом	392 Ом

Для работы в сетях с питающим напряжением от +15 до +24 В компания Bronkhorst выпускает согласующие терминаторы. Begin-терминатор состоит из последовательно включенных светодиода, и трёх резисторов: R_см1, R_c (между линиями А и В), R_см2. Begin-терминатор устанавливается в начале сети. End-терминатор состоит из одного резистора R_c и устанавливается в конце сети. Схема подключения приведена на схеме ниже.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса. Способы кодирования и передачи данных, типы соединителей и кабелей определяются используемым протоколом передачи (FLOWBUS, Modbus, Profibus DP и т.д.).