V průmyslových aplikacích, bezdrátové datové linky nemůže nikdy plně nahradit drátové. Mezi posledními je stále nejběžnější a nejspolehlivější sériové rozhraní RS -485 . A výrobcem nejvíce chráněných před vnějšími vlivy a různými konfiguracemi a stupněm integrace transceiverů pro něj zase zůstává společnostMaxim integrovaný .

Navzdory nárůstu popularity bezdrátové sítě, nejspolehlivější a nejstabilnější připojení, zejména v náročných provozních podmínkách, poskytují drátové. Správně navržené kabelové sítě umožňují implementaci efektivní komunikace v průmyslových aplikacích a systémech automatizované ovládání průmyslové procesy, poskytující odolnost proti rušení, elektrostatickým výbojům a přepětí. Charakteristické rysy rozhraní RS-485 vedly k jeho širokému použití v průmyslu.

Porovnání rozhraní RS-485 a RS-422

Transceiver RS-485 je nejběžnějším rozhraním fyzické vrstvy pro implementaci sériových datových sítí pro drsná prostředí v průmyslových aplikacích a aplikacích automatizace budov. Tento standard sériové rozhraní poskytuje vysokorychlostní výměnu dat na relativně dlouhou vzdálenost po jedné diferenciální lince (twisted pair). Hlavním problémem použití RS-485 v průmyslu a v systémech automatizace budov je, že elektrické přechodové jevy, ke kterým dochází při rychlém spínání indukčních zátěží, elektrostatických výbojích a přepětí, působících na sítě automatizovaných řídicích systémů, mohou zkreslit přenášená data. nebo způsobit jejich selhání.

V současné době existuje několik typů rozhraní pro přenos dat, z nichž každé je navrženo pro specifické aplikace s přihlédnutím k požadované sadě parametrů a struktuře protokolu. Sériová rozhraní zahrnují CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI a SMBus, ale RS-485 a RS-422 jsou stále nejspolehlivější, zejména v náročných provozních podmínkách .

Rozhraní RS-485 a RS-422 jsou v mnoha ohledech podobná, nicméně mají některé významné rozdíly, které je třeba vzít v úvahu při navrhování systémů přenosu dat. Podle standardu TIA/EIA-422 je rozhraní RS-422 určeno pro průmyslové aplikace s jedním masterem datové sběrnice, ke kterému lze připojit až 10 slave (obrázek 1). Poskytuje přenos rychlostí až 10 Mbps pomocí kroucené dvoulinky, která zlepšuje odolnost proti šumu a dosahuje nejvyššího možného dosahu a rychlosti přenosu dat. Typickými aplikacemi pro RS-422 jsou procesní automatizace (chemikálie, zpracování potravin, papírny), integrovaná automatizace továren (automobilový a kovodělný průmysl), ventilační a klimatizační systémy, bezpečnostní systémy, řízení motorů a řízení pohybu objektů.

RS-485 poskytuje větší flexibilitu tím, že umožňuje více masterů na společné sběrnici a zvýšením maximálního počtu zařízení na sběrnici z 10 na 32. Podle standardu TIA/EIA-485 má RS-485 více než RS-422 široký rozsah napětí v běžném režimu (-7…12 V místo ±7 V) a mírně menší rozsah rozdílového napětí (±1,5 V místo ±2 V), což zajišťuje dostatečnou úroveň signálu přijímače při maximálním zatížení linky. Pomocí pokročilých možností datové sběrnice multidrop můžete vytvářet sítě zařízení připojených k jedinému sériovému portu RS-485. Díky své vysoké odolnosti proti šumu a schopnosti multidrop je RS-485 nejlepší sériové rozhraní pro použití v průmyslových distribuovaných systémech připojených k programovatelnému logický ovladač(PLC), grafický řadič (HMI) nebo jiné řadiče sběru dat. Protože RS-485 je rozšířením RS-422, všechna zařízení RS-422 se mohou připojit ke sběrnici řízené masterem RS-485. Typické aplikace pro RS-485 jsou podobné těm pro RS-422 uvedené výše, přičemž RS-485 se používá častěji kvůli jeho rozšířeným možnostem.

RS-485 je nejoblíbenější průmyslové rozhraní

Standard TIA/EIA-485 umožňuje použití RS-485 na vzdálenosti až 1200 m. Na kratší vzdálenosti jsou přenosové rychlosti dat více než 40 Mbps. Použití diferenciálního signálu poskytuje rozhraní RS-485 delší dosah, ale s rostoucí délkou linky klesá rychlost přenosu dat. Průřez vodičů linky a počet k ní připojených zařízení také ovlivňují rychlost přenosu dat. Pokud potřebujete dosáhnout jak dlouhého dosahu, tak vysoké přenosové rychlosti, je doporučeno použít transceivery RS-485 s vestavěnou funkcí vysokofrekvenčního vyrovnání, jako je MAX3291. Rozhraní RS-485 lze použít v poloduplexním režimu pomocí jediného krouceného páru vodičů nebo v plně duplexním režimu se současným přenosem a příjmem dat, který je zajištěn použitím dvou kroucený pár(čtyři dráty). V multidrop poloduplexní konfiguraci je RS-485 schopen podporovat až 32 vysílačů a až 32 přijímačů. Integrované obvody transceiveru novější generace však mají vyšší vstupní impedanci, což snižuje zatížení linky přijímače z 1/4 na 1/8 standardní hodnoty. Například pomocí transceiveru MAX13448E lze počet přijímačů připojených ke sběrnici RS-485 zvýšit na 256. Díky pokročilému rozhraní RS-485 multidrop je možné propojit různá zařízení připojená k jedinému sériovému portu, jak je znázorněno na obrázku 2.

Citlivost přijímače je ±200 mV. Proto, aby bylo možné rozpoznat jeden bit dat, musí být úrovně signálu v bodě připojení přijímače vyšší než +200 mV pro nulu a nižší než -200 mV pro jednotku (obrázek 3). V tomto případě přijímač potlačí rušení, jehož úroveň je v rozsahu ± 200 mV. Diferenciální vedení také poskytuje efektivní odmítnutí společného režimu. Minimální vstupní impedance přijímače je 12 kOhm, výstupní napětí vysílače je v rozsahu ± 1,5 ... ± 5 V.

Problémy spojené s používáním sériového rozhraní v průmyslovém prostředí

Návrháři průmyslových systémů čelí složitým výzvám zajištění jejich spolehlivého provozu v elektromagnetickém prostředí, které může zničit zařízení nebo narušit provoz. digitální systémy přenos dat. Jedním z příkladů takových systémů je automatické ovládání technologického zařízení v automatizovaném průmyslovém podniku. Řídicí jednotka, která řídí proces, měří jeho parametry, stejně jako parametry prostředí, a předává příkazy akčním členům nebo generuje nouzové výstrahy. Průmyslové regulátory jsou zpravidla mikroprocesorová zařízení, jejichž architektura je optimalizována pro řešení problémů daného průmyslového podniku. Datové spoje typu point-to-point v takových systémech jsou vystaveny silnému elektromagnetickému rušení z prostředí.

DC/DC měniče používané v průmyslových aplikacích pracují při vysokém vstupním napětí a poskytují izolovaná napětí ze vstupu pro napájení zátěže. Zařízení distribuovaného systému, která nemají vlastní síťový zdroj, jsou napájena stejnosměrným napětím 24 nebo 48 V. Ukončení je napájeno 12 nebo 5 V, získaným převodem vstupního napětí. Systémy, které komunikují se vzdálenými senzory nebo akčními členy, vyžadují přechodovou ochranu, EMI a ochranu zemního potenciálu.

Mnoho společností, jako je Maxim Integrated, se velmi snaží zajistit, aby integrované obvody pro průmyslové aplikace byly vysoce spolehlivé a odolné vůči drsnému elektromagnetickému prostředí. Transceivery Maxim RS-485 obsahují vestavěné vysokonapěťové ESD a obvody přepěťové ochrany a jsou vyměnitelné za provozu bez ztráty dat na lince.

Ochrana systémů přenosu dat před nepříznivými vnějšími vlivy

Vylepšená ESD ochrana

Elektrostatický výboj (ESD) nastane, když se dva opačně nabité materiály dostanou do kontaktu, což má za následek přenos statického náboje a vytvoření jiskrového výboje. ESD se často vyskytuje, když lidé přijdou do kontaktu s předměty kolem nich. Jiskrové výboje vznikající při neopatrné manipulaci s polovodičovými součástkami mohou výrazně zhoršit jejich výkon nebo vést k úplné destrukci polovodičové struktury. ESD může nastat například při výměně kabelu nebo prostém dotyku I/O portu a způsobit vypnutí portu v důsledku selhání jednoho nebo více čipů rozhraní (obrázek 4).

Takové nehody mohou vést ke značným ztrátám, protože zvyšují náklady na záruční opravy a spotřebitelé je vnímají jako důsledek špatné kvality výrobků. V průmyslové výrobě je ESD vážným problémem, který může způsobit ztráty v miliardách dolarů ročně. Za skutečných provozních podmínek může ESD vést k selhání jednotlivé komponenty a někdy systém jako celek. Externí diody lze použít k ochraně datových rozhraní, avšak některé integrované obvody rozhraní obsahují vestavěné součásti ESD ochrany a nevyžadují další externí ochranné obvody. Obrázek 5 ukazuje zjednodušené funkční schéma typického vestavěného ochranného obvodu ESD. Přechodové jevy v signálovém vedení jsou omezeny obvodem ochrany diod na úrovních napájecího napětí V CC a kostrou a chrání tak vnitřní část obvodu před poškozením. V současnosti vyráběné čipy rozhraní a analogové spínače s vestavěnou ESD ochranou v zásadě splňují normu IEC 61000-4-2.

Maxim Integrated výrazně investoval do integrovaných obvodů s robustní vestavěnou ESD ochranou a nyní je lídrem v transceiverech RS-232 až RS-485. Tato zařízení odolávají IEC (IEC) 61000-4-2 a JEDEC JS-001 vyhovujícím testovacím impulzům ESD aplikovaným přímo na I/O porty. Řešení Maxim ESD jsou spolehlivá, cenově dostupná, bez dalších externích komponent a levnější než většina jejich protějšků. Všechny čipy rozhraní vyráběné touto společností obsahují vestavěné prvky, které chrání každý výstup před ESD, ke kterému dochází během výroby a provozu. Řada transceiverů MAX3483AE / MAX3485AE poskytuje ochranu pro výstupy vysílačů a vstupy přijímačů před vysokonapěťovými rázy až do ±20 kV. Současně je zachován běžný režim provozu produktů, není třeba vypínat a poté znovu zapínat napájení. Kromě toho vestavěné funkce ochrany ESD zajišťují zapnutí, vypnutí a pohotovostní režim s nízkou spotřebou.

Přepěťová ochrana

V průmyslových aplikacích jsou vstupy a výstupy ovladačů RS-485 náchylné k selhání kvůli přepětí. Parametry rázů se liší od ESD - zatímco doba trvání ESD je typicky v rozsahu do 100 ns, rázová napětí mohou být 200 µs nebo více. Přepětí může být způsobeno chybami v kabeláži, špatným připojením, poškozenými nebo vadnými kabely a kapkami pájky, které mohou vytvořit vodivé spojení mezi napájecím a signálovým vedením na tištěný spoj nebo ve slotu. Protože v průmyslové systémy jsou používána napětí vyšší než 24 V, vystavení těmto napětím na standardních transceiverech RS-485, které nemají přepěťovou ochranu, způsobí jejich selhání během několika minut nebo dokonce sekund. Pro ochranu proti přepětí vyžadují běžné čipy rozhraní RS-485 drahé externí zařízení provádí na diskrétních součástech. Transceivery RS-485 s vestavěnou přepěťovou ochranou jsou schopny odolat běžnému šumu na datové lince až ±40, ±60 a ±80 V a výstupy až ±80 V vzhledem k zemi. Ochranné prvky fungují bez ohledu na aktuální stav čipu – ať už je zapnutý, vypnutý nebo v pohotovostním režimu – díky čemuž jsou tyto transceivery nejspolehlivější v oboru, ideální pro průmyslové aplikace. Transceivery Maxim přežijí přepětí způsobené zkratovaným napájecím a signálovým vedením, chybami v zapojení, špatné připojení konektory, vadné kabely a nesprávná obsluha.

Odolnost přijímačů vůči nejistým podmínkám linky

Důležitou charakteristikou čipů rozhraní RS-485 je odolnost přijímačů vůči nedefinovaným stavům linky, což zaručuje nastavení vysoké logické úrovně na výstupu přijímače při rozepnutých nebo sepnutých vstupech, jakož i při připojení všech vysílačů na linka přejde do neaktivního režimu (vysokoimpedanční stav výstupů). Problém správného vnímání signálů uzavřené datové linky přijímačem je vyřešen posunutím prahových hodnot vstupního signálu na záporná napětí -50 a -200 mV. Pokud je vstupní rozdílové napětí přijímače V A - V B větší nebo rovné -50 mV, je výstup R 0 nastaven na vysokou úroveň. Pokud je VA - V B menší nebo roven -200 mV - výstup R 0 je nastaven na nízkou hodnotu. Když všechny vysílače usnou a linka je ukončena, rozdílové vstupní napětí přijímače se blíží nule, v důsledku čehož je výstup přijímače vysoký. V tomto případě je hranice odolnosti proti šumu na vstupu 50 mV. Na rozdíl od transceiverů předchozí generace prahové hodnoty -50 a -200 mV odpovídají hodnotám ±200 mV specifikovaným standardem EIA/TIA-485.

Vyměnitelné za provozu

Literatura

  1. Aplikační poznámka 4491, „Poškození způsobené bleskem nebo jiskrou – záleží na tom, jak jste vysoký!“;
  2. Aplikační poznámka 5260, "Úvahy o návrhu pro drsné průmyslové prostředí";
  3. Aplikační poznámka 639, Maxim vede v ochraně proti ESD.

RS-485 je standard, který jako první přijala asociace Electronic Industries Association. K dnešnímu dni tato norma bere v úvahu elektrické charakteristiky různých přijímačů a vysílačů používaných v různých vyvážených digitálních systémech.

Co zastupuje?

Mezi odborníky je RS-485 název poměrně oblíbeného rozhraní, které se aktivně používá v různých systémech řízení průmyslových procesů k propojení několika ovladačů a mnoha dalších zařízení k sobě navzájem. Hlavní rozdíl mezi tímto rozhraním a neméně běžným RS-232 spočívá v tom, že umožňuje kombinovat několik typů zařízení současně.

S pomocí RS-485 je zajištěna vysokorychlostní výměna informací mezi několika zařízeními prostřednictvím jediné dvoudrátové komunikační linky v poloduplexním režimu. Je široce používán v moderním průmyslu v procesu formování systémů řízení procesů.

Dosah a rychlost

S pomocí tento standard informace jsou přenášeny rychlostí až 10 Mbps, přičemž maximální možný dosah bude přímo záviset na rychlosti přenosu dat. Pro zajištění maximální rychlosti tedy nelze data přenášet dále než na 120 metrů, zatímco při rychlosti 100 kbps jsou informace vysílány na více než 1200 metrů.

Počet připojených zařízení

Počet zařízení, která může rozhraní RS-485 kombinovat, bude přímo záviset na tom, které transceivery jsou v zařízení použity. Každý vysílač je navržen tak, aby současně ovládal 32 standardních přijímačů, je však třeba si uvědomit, že existují přijímače, jejichž vstupní impedance je 50 %, 25 % nebo dokonce menší než standardní, a pokud je takové zařízení použito, celkový počet zařízení bude odpovídajícím způsobem zvýšit.

Konektory a protokoly

Kabel RS-485 nestandardizuje žádný konkrétní formát informačních rámců nebo výměnný protokol. V naprosté většině případů se používají úplně stejné rámce, jaké používá RS-232, tedy datové bity, stop a start bity a v případě potřeby paritní bit.

Práce výměnných protokolů ve většině moderní systémy se provádí podle principu „master-slave“, to znamená, že některé zařízení v síti je master a přebírá iniciativu k výměně požadavků na odesílání mezi všemi podřízenými zařízeními, která se liší logickými adresami. Nejoblíbenějším protokolem je dnes Modbus RTU.

Stojí za zmínku, že kabel RS-485 také nemá žádný konkrétní typ konektorů nebo odpájení, to znamená, že mohou existovat koncové konektory, DB9 a další.

Spojení

Nejběžnější použití tohoto rozhraní je místní síti, který kombinuje několik transceiverů současně.

Při zapojování RS-485 je potřeba správně zkombinovat signálové obvody, obvykle nazývané A a B. V tomto případě není přepólování tak hrozné, akorát nebudou fungovat připojená zařízení.

Při používání rozhraní RS-485 byste měli vzít v úvahu několik funkcí jeho provozu:

  • Nejoptimálnějším médiem pro přenos signálu je kroucená dvoulinka.
  • Konce kabelu musí být zakončeny speciálními zakončovacími odpory.
  • Síť využívající standardní nebo USB RS-485 by měla fungovat bez jakýchkoliv podnětů
  • Zařízení by měla být připojena na co nejkratší možnou délku.

Koordinace

Pomocí zakončovacích odporů, standardní nebo USB RS-485 poskytuje plné přizpůsobení otevřeného konce kabelu s následným vedením, zcela eliminuje možnost odrazu signálu.

Jmenovitý odpor rezistorů odpovídá vlnové impedanci kabelu au kabelů na bázi kroucené dvoulinky je to ve většině případů přibližně 100-120 ohmů. Například dnes poměrně populární kabel UTP-5, který se aktivně používá v procesu pokládání Ethernetu, má charakteristickou impedanci 100 ohmů. Pro jiné možnosti kabelu lze použít jiné jmenovité hodnoty.

Rezistory lze v případě potřeby připájet na kontakty konektorů kabelů již ve finálních zařízeních. Zřídka jsou odpory instalovány v samotném zařízení, v důsledku čehož musí být instalovány propojky pro připojení odporu. V tomto případě, pokud je zařízení vypnuto, je linka zcela neshodná. A aby byl zajištěn normální provoz zbytku systému, musíte připojit odpovídající zástrčku.

Úrovně signálu

Port RS-485 používá vyvážené schéma přenosu dat, to znamená, že úrovně napětí na signálových obvodech A a B se budou měnit v protifázi.

Snímač by měl poskytovat úroveň signálu 1,5 V při plném zatížení a ne více než 6 V, pokud je zařízení ve volnoběhu. Úroveň napětí je měřena rozdílně, každý signálový vodič vůči druhému.

Kde je přijímač umístěn, minimální úroveň přijímaného signálu by v každém případě měla být alespoň 200 mV.

Zaujatost

V případě, že na signálových obvodech není žádný signál, dochází k mírnému offsetu, který chrání přijímač před případy falešného provozu.

Odborníci doporučují offset o něco více než 200 mV, protože tato hodnota odpovídá zóně nejistoty vstupního signálu podle normy. V tomto případě je obvod A přitažen ke kladnému pólu zdroje, zatímco obvod B je přitahován ke společnému.

Příklad

V souladu s požadovaným offsetem a napájecím napětím se provede výpočet, pokud například potřebujete získat offset 250 mV při použití koncových rezistorů R T = 120 Ohm, zatímco zdroj má napětí 12 V. že v tomto případě jsou dva odpory zapojeny paralelně k sobě a bez ohledu na zatížení na straně přijímače je předpětí 0,0042 A, zatímco celkový odpor předpětí je 2857 ohmů. R cm v tomto případě bude přibližně 1400 ohmů, takže musíte vybrat nějakou nejbližší hodnotu.

Jako příklad bude použit předpětí 1,5 kΩ rezistor a také externí 12V rezistor. Kromě toho je v našem systému izolovaný výstup napájení regulátoru, který je vedoucím článkem ve svém segmentu obvodů.

Samozřejmě existuje mnoho dalších možností implementace zkreslení, které využívají převodník RS-485 a další prvky, ale v každém případě je třeba při umístění obvodů zkreslení počítat s tím, že uzel, který to bude poskytovat, bude periodicky vypínat resp. dokonce může být nakonec zcela odstraněn ze sítě.

Pokud je přítomno předpětí, pak je potenciál obvodu A při plném volnoběhu kladný vzhledem k obvodu B, což je vodítko, pokud je nové zařízení připojeno ke kabelu bez označení vodičů.

Špatné zapojení a zkreslení

Implementace výše uvedených doporučení umožňuje dosáhnout normálního přenosu elektrických signálů do různých bodů v síti, pokud je jako základ použit protokol RS-485. Pokud není splněn alespoň jeden z požadavků, dojde ke zkreslení signálu. Nejvýraznější zkreslení se začnou objevovat, pokud rychlost výměny dat překročí 1 Mbps, ale ve skutečnosti se i v případě nižších rychlostí důrazně doporučuje tato doporučení nezanedbávat, i když síť „stejně funguje normálně“.

Jak programovat?

Během programování různé aplikace při práci se zařízeními využívajícími RS-485 splitter a dalšími zařízeními s tímto rozhraním je třeba vzít v úvahu několik důležité body. Pojďme si je vyjmenovat:

  • Před zahájením doručování zásilky je nutné aktivovat vysílač. Navzdory skutečnosti, že podle některých zdrojů může být vydání provedeno okamžitě po zapnutí, někteří odborníci doporučují zpočátku pauzu, která se časem bude rovnat přenosové rychlosti jednoho snímku. V tomto případě bude mít správný přijímací program čas plně určit chyby přechodného procesu, provést normalizační proceduru a připravit se na následný příjem dat.
  • Po vydání posledního bajtu dat se také doporučuje udělat pauzu před vypnutím zařízení RS-485. Je to způsobeno zejména tím, že řadič sériového portu má často dva registry současně, z nichž první je paralelní vstup a je určen pro příjem dat, zatímco druhý je posuvný výstup a slouží pro sériový výstup. Jakákoli přerušení vysílání řadiče jsou generována, pokud je vstupní registr prázdný, když informace již byly poskytnuty posuvnému registru, ale ještě nebyly vydány. Právě z tohoto důvodu je po přerušení vysílání nutné dodržet určitou pauzu před vypnutím vysílače, která by měla být přibližně o 0,5 bitu delší než rámec. Pro přesnější výpočty se doporučuje podrobně prostudovat technickou dokumentaci použitého řadiče sériového portu.
  • Vzhledem k tomu, že vysílač, přijímač a případně i převodník RS-485 jsou připojeny k jedné lince, bude vlastní přijímač přijímat i přenosy z vlastního vysílače. Často se stává, že v systémech vyznačujících se náhodným přístupem k lince se tato funkce používá v procesu kontroly absence kolize mezi dvěma vysílači. V standardní systémy fungující v souladu s principem "master-slave" se doporučuje během přenosu zcela uzavřít přerušení z přijímače.

Konfigurace formátu sběrnice

Toto rozhraní poskytuje možnost kombinace zařízení ve formátu "sběrnice", kdy jsou všechna zařízení kombinována pomocí jednoho páru vodičů. V tomto případě musí být komunikační linka nutně přizpůsobena zakončovacím odporům na obou koncích.

Pro zajištění přizpůsobení jsou v tomto případě instalovány odpory, které se vyznačují odporem 620 ohmů. Instalují se vždy na první a poslední zařízení připojené k lince. V převážné většině moderních přístrojů je zabudován i zakončovací odpor, který lze v případě potřeby připojit k lince instalací speciální propojky na desku přístroje.

Protože propojky jsou zpočátku instalovány ve stavu při dodání, musíte je nejprve odstranit ze všech zařízení, s výjimkou prvního a posledního připojeného k lince. U opakovacích převodníků modelu S2000-PI se pro každý jednotlivý výstup zapíná zakončovací odpor pomocí spínače, zatímco přístroje S2000-KS a S2000-K se vyznačují vestavěným zakončovacím odporem, v důsledku čehož k jeho připojení není potřeba žádný jumper.

Pro zajištění delší komunikační linky se doporučuje používat specializované opakovače-opakovače vybavené plně automatické přepínání směr přenosu.

Konfigurace hvězd

Jakékoliv odbočky v lince RS-485 jsou nežádoucí, protože v tomto případě dochází k poměrně silnému zkreslení signálu, ale z praktického hlediska se dají při malé délce odbočky tolerovat. V tomto případě není nutná instalace zakončovacích odporů na samostatné větve.

V distribučním systému RS-485 ovládaném z dálkového ovladače, pokud jsou tento a zařízení připojena ke stejné lince, ale jsou napájena z různých zdrojů, bude nutné kombinovat 0 V obvody všech zařízení a dálkového ovladače v aby bylo zajištěno jejich potenciální vyrovnání. Pokud tento požadavek není dodrženo, pak v tomto případě může mít dálkové ovládání nestabilní spojení se zařízeními. Pokud má být použit kabel s několika kroucenými páry vodičů, lze v případě potřeby použít pro obvod vyrovnání potenciálu zcela volný pár. Mimo jiné je také možné použít stíněnou kroucenou dvojlinku v případě, že není stínění uzemněno.

Co je třeba vzít v úvahu?

V drtivé většině je proud, který prochází vodičem pro vyrovnávání potenciálu, poměrně malý, ale pokud jsou 0 V zařízení nebo samotné napájecí zdroje připojeny k několika lokálním zemnicím sběrnicím, může být potenciální rozdíl mezi různými 0 V obvody několik jednotek, a v některých případech i desítky voltů, přičemž proud protékající obvodem pro vyrovnání potenciálu může být poměrně významný. To je to, co je běžná příčina skutečnost, že mezi dálkovým ovládáním a zařízeními existuje nestabilní spojení, v důsledku čehož mohou dokonce selhat.

Z tohoto důvodu je nutné vyloučit možnost uzemnění obvodu 0 V, nebo maximálně tento obvod v určitém bodě uzemnit. Rovněž je třeba vzít v úvahu možnost vztahu mezi 0 V a ochranným zemnicím obvodem přítomným v zařízení používaném v poplašném systému.

V zařízeních, která se vyznačují poměrně obtížným elektromagnetickým prostředím, je možné tuto síť propojit stíněným krouceným párovým kabelem. V tomto případě může být přítomen kratší limit vzdálenosti, protože kapacita kabelu je vyšší.

V moderní technologie výměna informací mezi různá zařízení. A k tomu je potřeba přenášet data jak na krátké vzdálenosti, tak na velké vzdálenosti, v řádu kilometrů. Jedním z těchto typů přenosu dat je komunikace mezi zařízeními přes rozhraní RS-485.

Kde je potřeba přenášet data přes RS 485.

Jedním z nejčastějších příkladů použití zařízení pro výměnu dat je. Elektroměry, spojené do jediné sítě, jsou rozptýleny ve skříních, buňkách rozváděče a dokonce i rozvodnách umístěných ve značné vzdálenosti od sebe. V tomto případě se rozhraní používá k odesílání dat z jednoho nebo více měřicích zařízení.

Systém "jeden měřič - jeden modem" je aktivně implementován pro přenos dat do služeb energetických společností z měřicích stanic soukromých domů a malých podniků.

Jiný příklad: příjem dat z terminálů ochrany mikroprocesorových relé v reálném čase a také centralizovaný přístup k nim za účelem provádění změn. Proč jsou terminály svázány přes komunikační rozhraní stejným způsobem a data z něj jsou odesílána do počítače instalovaného u dispečera. V případě výjezdu ochrany má provozní personál možnost okamžitě získat informace o místě zásahu a povaze poškození silových obvodů.

Ale nejvíce náročný úkol, řešené komunikačními rozhraními, jsou centralizované řídicí systémy pro složité výrobní procesy - automatizované systémy řízení procesů. Obsluha průmyslového závodu má na stole počítač, na jehož displeji vidí aktuální stav procesu: teploty, produktivitu, zapnuté a vypnuté jednotky, jejich provozní režim. A to vše má schopnost zvládnout lehkým kliknutím myši.

Počítač na druhé straně komunikuje s řídicími jednotkami - zařízeními, která převádějí příkazy ze senzorů do jazyka srozumitelného stroji, a obrácená transformace: ze strojového jazyka na řídicí příkazy. Komunikace s regulátorem, stejně jako mezi různými regulátory, probíhá prostřednictvím komunikačních rozhraní.


 Rozhraní RS-232 je bratříčkem RS 485.

Nelze se alespoň krátce nezmínit o rozhraní RS-232, kterému se také říká sériové. Některé notebooky mají konektor pro odpovídající port a některá digitální zařízení (stejné svorky ochrany relé) jsou vybaveny výstupy pro komunikaci pomocí RS-232.

Abyste si mohli vyměňovat informace, musíte je umět vysílat a přijímat. Máme k tomu vysílač a přijímač. Jsou přítomny v každém zařízení. Navíc je výstup vysílače jednoho zařízení (TX) připojen ke vstupu přijímače jiného zařízení (RX). A v souladu s tím se signál pohybuje v opačném směru podél druhého vodiče stejným způsobem.

To poskytuje poloduplexní komunikační režim, to znamená, že přijímač a vysílač mohou pracovat současně. Data na kabelu RS-232 se mohou pohybovat jedním a druhým směrem současně.

Nevýhodou tohoto rozhraní je nízká odolnost proti šumu. To je způsobeno tím, že signál v propojovacím kabelu pro příjem i vysílání je tvořen vzhledem ke společnému vodiči - zemi. Jakékoli rušení, které existuje i ve stíněném kabelu, může vést k selhání komunikace, ztrátě jednotlivých bitů informace. A to je nepřijatelné při správě složitých a drahých mechanismů, kde jakákoli chyba je nehoda a ztráta komunikace je dlouhým výpadkem.

Proto se používá hlavně pro malá dočasná připojení notebooku k digitální zařízení, například k instalaci počáteční konfigurace nebo opravě chyb.


 Organizace rozhraní RS-485.

Hlavní rozdíl mezi RS-458 a RS-232 je ten, že všechny přijímače a vysílače pracují na jednom páru vodičů, což je komunikační linka. Zemnící vodič se v tomto případě nepoužívá a signál ve vedení je tvořen diferenciální metodou. Přenáší se současně po dvou vodičích ("A" a "B") v inverzní podobě.

Pokud je výstup vysílače logická "0", pak má vodič "A" nulový potenciál. Na vodiči "B" se vytvoří signál "ne 0", to znamená "1". Pokud vysílač vysílá „1“, opak je pravdou.

V důsledku toho získáme změnu signálového napětí mezi dvěma vodiči, které jsou krouceným párem. Jakýkoli snímač, který se dostane do kabelu, změní napětí vzhledem k zemi stejným způsobem na obou vodičích páru. Ale napětí užitečného signálu se tvoří mezi dráty, a proto vůbec netrpí potenciály na nich.

Pořadí výměny dat mezi zařízeními přes RS-485.

Všechna zařízení připojená přes rozhraní RS-485 mají pouze dvě svorky: "A" a "B". Chcete-li se připojit k společná síť tyto svorky jsou zapojeny v paralelním obvodu. K tomu je položen řetězec kabelů z jednoho zařízení do druhého.

V tomto případě je nutné zefektivnit výměnu dat mezi zařízeními nastavením pořadí vysílání a příjmu a také formátu odesílaných dat. K tomu slouží speciální instrukce nazývaný protokol.

Pro výměnu dat přes rozhraní RS-485 existuje mnoho protokolů, nejčastěji používaný je Modbas. Pojďme se krátce zamyslet nad tím, jak funguje nejjednodušší protokol a jaké další problémy je s jeho pomocí třeba vyřešit.

Vezměme si například síť, ve které jedno zařízení shromažďuje data z několika zdrojů dat. Může to být modem a skupina elektroměrů. Aby bylo možné vědět, ze kterého měřiče budou data pocházet, je každému transceiveru přiděleno číslo, které je pro danou síť jedinečné. Číslo je také přiřazeno modemu transceiver.

Když je čas sbírat data o spotřebě energie, modem vygeneruje požadavek. Nejprve se vyšle startovací impuls, podle kterého všechna zařízení pochopí, že nyní přichází kódové slovo - balík ze sekvence nul a jedniček. V něm budou první bity odpovídat účastnickému číslu v síti, zbytek budou data, například příkaz k přenosu požadované informace.

Všechna zařízení přijmou zprávu a porovnají číslo volaného účastníka se svým vlastním. Pokud se shodují, provede se příkaz předaný jako součást požadavku. Pokud ne, zařízení jeho text ignoruje a nedělá nic.

V tomto případě je v mnoha protokolech zasláno zpět potvrzení, že příkaz byl přijat k provedení nebo dokončen. Pokud není žádná odpověď, vysílací zařízení může opakovat požadavek určitý počet opakování. Pokud reakce nenásleduje, je generována chybová informace související se selháním komunikačního kanálu s tichým předplatitelem.

Odpověď nemusí následovat, a to nejen v případě poruchy. Pokud je v komunikačním kanálu silné rušení, které tam stále proniká, příkazy nemusí dosáhnout svého cíle. Jsou také zkreslené a nejsou správně rozpoznány.

Nelze připustit nesprávné provedení příkazu, proto je do dat zásilky vložena vědomě nadbytečná informace - kontrolní součet. Vypočítává se podle určitého zákona, předepsaného v protokolu, na vysílající straně. U přijímače je kontrolní součet vypočítán podle stejného principu a porovnán s vysílaným. Pokud se shodují, příjem je považován za úspěšný a příkaz je proveden. Pokud ne, zařízení odešle na vysílající stranu chybovou zprávu.

Požadavky na připojení kabelů.

Pro připojení zařízení s rozhraním RS-485 se používají kroucené dvoulinky. Pro přenos dat sice stačí jeden pár vodičů, ale většinou se používají kabely s alespoň dvěma, aby byla položena rezerva.

Pro lepší ochranu proti rušení jsou kabely stíněné, přičemž stínění jsou vzájemně propojena po celé lince. K tomu je na kombinovaných zařízeních kromě závěrů "A" a "B" svorka "COM". Vedení je uzemněno pouze v jednom bodě, obvykle v místě ovladače, modemu nebo počítače. Je zakázáno to dělat ve dvou bodech, aby se zabránilo rušení, které bude nevyhnutelně procházet podél obrazovky kvůli rozdílu potenciálu v bodech země.

Kabely jsou zapojeny pouze sériově mezi sebou, není možné dělat odbočky. Pro přizpůsobení vedení je na jeho konci zapojen rezistor s odporem 120 ohmů (to je charakteristická impedance kabelu).

Obecně je instalace propojovacích kabelů jednoduchým úkolem. Mnohem obtížnější bude nastavení zařízení, které bude vyžadovat lidi se speciálními znalostmi.

Pro lepší pochopení fungování rozhraní RS-485 vám doporučujeme zhlédnout následující video:

Rozhraní RS-485 je pravděpodobně nejběžnějším rozhraním pro organizaci malých sítí průmyslové automatizace.

To je usnadněno jeho vysokou Specifikace se snadnou implementací. Rozhraní RS-485 umožňuje vytvářet sítě s jednoduchým hardwarem:

  • topologie sběrnice;
  • s kroucenou dvojlinkou jako nosičem dat;
  • délka komunikační linky může dosáhnout 1200 m;
  • rychlost přenosu dat až 10 Mbps.

Pro řízení distribuovaných systémů založených na RS-485 lze použít mnoho standardních protokolů, včetně ModBus. Rozhraní umožňuje vytvářet sítě se specializovanými protokoly. Pro hardwarovou implementaci RS-485 stačí k mikrokontroléru přidat pouze jeden mikroobvod nízkého stupně integrace.

RS-485 je popsán ve standardu ANSI TIA/EIA-485-A:1998. Norma specifikuje pouze elektrické parametry a parametry časování. Nestanovuje:

Základní parametry standardu RS-485.

Způsob přenosu dat RS-485.

Standard rozhraní RS-485 definuje následující signály:

  • A - neinvertující;
  • B - invertování;
  • C - společná linka (volitelný signál).

Někdy se používají alternativní označení signálu:

  • Data+ / Data-;
  • D+/D-;
  • + / -.

Rozhraní využívá rozdílový způsob přenosu dat. Informace jsou přenášeny pomocí dvou protifázových signálů A a B a stav sběrnice RS-485 je určen rozdílem potenciálů mezi vedeními A a B vzhledem ke společnému vedení C. Napětí každého vedení vůči zemi může být cokoliv, ale v rozsahu -7 ... +12 V.

RS-485 vyžaduje použití diferenciálních přijímačů a vysílačů.

Vysílače tvoří 2 protifázové signály s rozdílem napětí minimálně 1,5 V (dle normy).

Pro příjem dat se používají diferenciální přijímače, které rozlišují rozdíl napětí mezi vedením A a B. Pokud je rozdíl větší než 200 mV, ale do +12 V, je stav vedení považován za rovný logické jednotce. Při rozdílu napětí menším než -200 mV, ale ne menším než -7 V, je vedení ve stavu logické nuly.

  • Va > Vb odpovídá log. jeden;
  • Va< Vb соответствует лог. 0.

Je snadné spočítat, že úroveň rušení a úbytek napětí na aktivním odporu vedení může dosáhnout 1,3 V (výstupní napětí vysílače 1,5 V mínus práh odezvy přijímačů 0,2 V). Taková rezerva zajišťuje provoz rozhraní na dlouhých komunikačních linkách s výrazným aktivním odporem. Maximální délka komunikační linky (1200 m) je určena tímto parametrem. Skutečný rozdíl napětí na výstupu vysílačů může dosáhnout 5 V.

Linie A a B jsou symetrické vzhledem k zemi C. Interference a interference v nich jsou indukovány podobným tvarem a velikostí. V diferenciálních přijímačích jsou napětí na vedeních odečtena, signál je izolován a rušivé napětí se ukáže jako nulové. Samozřejmě v reálných podmínkách vždy dochází k mírné asymetrii vedení a zátěže, což vede ke vzniku šumu ve výstupním signálu, který je však výrazně oslaben.

Vzhledem k symetrii vysílačů a přijímačů rozhraní je významný efekt v boji proti elektromagnetickému rušení zajištěn použitím kroucené dvoulinky jako komunikační linky. Sběrné proudy v sousedních závitech jsou směrovány opačně k sobě a vzájemně se ruší.

Standard RS-485 definuje následující elektrické parametry vysílače a přijímače.

Parametr Podmínky Význam jednotka měření
Min. Max.
Výstupní napětí vysílače bez zátěže Rload = ∞ 1,5
-1,5 		6
-6 		V
Výstupní napětí vysílače při zatížení Rload = 54 Ohm 1,5
-1,5 		5
-5 		V
Výstupní impedance vysílače 54 Ohm
Zkratový proud vysílače Zkratování výstupu na zdroj +12 V nebo - 7V - ±250 mA
Běžné napětí na výstupu vysílače Rload = 54 Ohm -1 3 V
Citlivost přijímače Běžné napětí -7 V až +12 V - ±200 mV
Běžné napětí na vstupu přijímače -7 +12 V
Vstupní impedance přijímače 12 - kOhm
Celková vstupní impedance 375 - Ohm

Zařízení s rozhraním RS-485 jsou zpravidla propojena s topologií "Common bus". Účastníci jsou propojeni paralelně jednou dvouvodičovou komunikační linkou s dalším společným vodičem.

Každý účastník je připojen k síti přes diferenciální vysílač (D) a přijímač (R). V jednu chvíli může být aktivní (zapnutý) pouze jeden síťový vysílač. Všechny ostatní vysílače musí být ve třetím (vysokoimpedančním) stavu. Stav vysílače je řízen samostatným signálem (DE).

Obecná posloupnost výměny dat vypadá takto. Hlavní zařízení zapne svůj vysílač, odešle data, poté se vypne a přijme odpověď. Všechna ostatní zařízení jsou v tuto chvíli ve stavu s vypnutými vysílači. Podřízené zařízení přijme data, poté zapne svůj vysílač a odešle odpověď nadřízenému zařízení.

Přirozeně jsou chvíle, kdy jsou všechny vysílače vypnuté, „linka visí ve vzduchu“. Pokud neučiníte zvláštní opatření, stav linky bude nejistý. Výstupy přijímačů mohou být libovolné úrovně.

Tuto nejistotu můžete odstranit, pokud připojíte neinvertující vstup přijímače k ​​napájecí sběrnici přes odpory a invertující vstup k zemi.

Odpor rezistorů musí být takový, aby vytvářel předpětí mezi vstupy přijímačů ne menší než prahová hodnota (200 mV). Tyto odpory je třeba vzít v úvahu při výpočtu zakončovacích odporů.

Existují další možnosti, jak eliminovat nejistotu stavu sítě v době, kdy jsou všechny vysílače vypnuté. Všechny jsou ale na úrovni protokolů.

Na začátku výměny je možné vyslat servisní sekvenci kódů. To však značně komplikuje výměnu, vyžaduje přenos dalších dat.

Pokud je v síti vždy aktivní zařízení, pak je zde možnost - vypnout vysílač v okamžiku, kdy je druhý vysílač již zapnutý, ale oba jsou ve stavu log. 1. Řekněme, že master vysílá data. Poté nastaví výstup svého vysílače do stavu log. 1. Podřízené zařízení zapne svůj vysílač, rovněž ve stavu log. 1. Poté Master vypne vysílač a slave začne vysílat data. Linka nikdy nezůstane odpojena. Takový algoritmus vyžaduje přesnou synchronizaci, vypracování časových intervalů pro přepínání vysílačů.

Další nepříjemná ozvěna. Vše, co vysílač zařízení vysílá, vnímá svým vlastním přijímačem. S tím musíme počítat. V některých systémech jsou data odezvy zpracována jako součást protokolu. V jiných je provoz přijímače v době přenosu zakázán. V mých knihovnách Tiny_ModBusRTU_Master a Tiny_ModBusRTU_Slave po každém přenosu dat master vymaže přijímací vyrovnávací paměť.

Přizpůsobení komunikační linky.

Při přenosu dat na značnou vzdálenost může dojít ke znatelnému zkreslení signálu v komunikační lince. Elektromagnetická vlna se odráží od konce kabelu, vrací se zpět do vysílače, dochází k rezonančním jevům.

Důvodem jsou distribuované kapacitní a indukční vlastnosti kabelu. V praxi má kabel jednotný design po celé své délce, tudíž stejné rozložené parametry. Proto lze vlastnost kabelu charakterizovat jedním parametrem - vlnovou impedancí. Takže zkreslení signálu v kabelu může být výrazně sníženo, pokud je na přijímací straně připojen rezistor s odporem rovným vlnové impedanci kabelu. Takový odpor se nazývá terminátor. V sítích RS-485 jsou zakončení umístěna na obou koncích kabelu, protože obě strany mohou přijímat i vysílat.

Charakteristická impedance kroucených párů je zpravidla 100 ... 150 ohmů. Pro sítě RS-485 byly vyvinuty speciální kabely s charakteristickou impedancí 120 ohmů. Právě tento odpor terminátoru je považován za standardní. Často jsou 120 ohmové terminátory již instalovány v zařízeních s rozhraním RS-485 a lze je vypnout pomocí přepínače.

V praxi se také používají terminátory s větším odporem, než je vlnová impedance kabelu. Pokud je aktivní odpor kabelu velký a srovnatelný s odporem terminátorů, pak může být amplituda signálu na přijímací straně výrazně snížena. V tomto případě je nutné hledat kompromis mezi přípustným zkreslením signálu a jeho amplitudou. Při nízkých přenosových rychlostech, 9600 baudů a nižších, může použití terminátorů s nízkým odporem dokonce snížit kvalitu příjmu.

Topologie sítě také ovlivňuje zkreslení signálu v komunikační lince. K odrazům signálu dochází z jakékoli nehomogenity vedení, včetně odboček. Proto musí komunikační linka fyzicky obcházet síťová zařízení postupně, bez dlouhých odboček.

Výjimkou jsou sítě s nízkou přenosovou rychlostí a sítě využívající opakovače. Kvůli opakovačům lze také zvětšit celkovou délku komunikační linky RS-485.

Galvanická izolace.

Standard RS-485 nezajišťuje galvanické oddělení rozhraní od komunikační linky. Ale pokud jsou síťová zařízení umístěna na velká vzdálenost od sebe navzájem, pak se potenciály jejich zemnících vodičů mohou rozcházet o významné napětí. V tomto případě se diferenciální signály nezachrání, jejich potenciály se mohou lišit více než povolených -7 ... + 12 V. To povede k nefunkčnosti rozhraní a dokonce k jeho selhání.

Vytváření tenkých struktur pomocí RS-485 je snadné, pokud rozumíte tomu, jak zároveň ušetřit dobrá kvalita spojení. Tento článek pokrývá fakta, mýty a špatné vtipy, o kterých musíte vědět, abyste tohoto cíle dosáhli.

V průmyslové automatizaci a systémech automatizace budov řada vzdálená zařízení sběr dat, které přenášejí a přijímají informace prostřednictvím centrálního modulu, který poskytuje přístup k datům uživatelům a dalším zpracovatelům. Typické pro takové aplikace jsou dataloggery a čtečky. Téměř ideální datovou linku pro tento účel definuje standard RS-485, který propojuje zařízení pro sběr dat kroucenou dvojlinkou.

Vzhledem k tomu, že mnoho zařízení RS-485 DAQ jsou kompaktní, bateriemi napájená samostatná zařízení, jsou zapotřebí opatření ke snížení jejich spotřeby energie, aby se řídil jejich odvod tepla a prodloužila životnost baterie. Podobně jsou úspory energie důležité u nositelných zařízení a dalších aplikací, které využívají rozhraní RS-485 ke stahování dat do CPU.

Následující část je určena především těm, kteří nejsou obeznámeni s RS-485.

RS-485: historie a popis

Standard RS-485 byl vyvinut společně dvěma asociacemi výrobců: Electronics Industries Association (EIA) a Telecommunications Industry Association (TIA). EIA kdysi označila všechny své standardy předponou „RS“ (doporučený standard). Mnoho inženýrů nadále používá toto označení, ale EIA/TIA oficiálně nahradilo „RS“ za „EIA/TIA“, aby bylo snazší identifikovat původ jejich norem. K datu, různá rozšíření Standardy RS-485 pokrývají širokou škálu aplikací.

Standardy RS-485 a RS-422 mají mnoho společného, ​​a proto jsou často zaměňovány. Tabulka 1 je porovnává. RS-485, který definuje obousměrnou poloduplexní komunikaci, je jediným standardem EIA/TIA, který umožňuje více přijímačů a ovladačů v konfiguraci sběrnice. EIA/TIA-422 na druhé straně definuje jeden jednosměrný ovladač s více přijímači. Prvky RS-485 jsou zpětně kompatibilní a zaměnitelné s jejich protějšky RS-422, avšak ovladače RS-422 by neměly být používány v systémech založených na RS-485, protože se nemohou vzdát řízení sběrnice.

Tabulka 1. Standardy RS-485 a RS-422

RS-422 RS-485
Pracovní režim Rozdíl Rozdíl
Povolený počet Tx a Rx 1 Tx, 10 Rx 32 Tx, 32 Rx
Maximální délka kabelu 1200 m 1200 m
Maximální rychlost přenosu dat 10 Mbps 10 Mbps
Minimální výstupní rozsah měniče ±2V ± 1,5V
Maximální výstupní rozsah měniče ±5V ±5V
Maximální zkratový proud řidiče 150 mA 250 mA
Odolnost zátěže Tx 100 ohmů 54 ohmů
Vstupní citlivost Rx ± 200 mV ± 200 mV
Maximální vstupní impedance Rx 4 kOhm 12 kOhm
Rozsah vstupního napětí Rx ±7V -7 V až +12 V
Logická jedna úroveň Rx > 200 mV > 200 mV
Logická nulová úroveň Rx < 200 мВ < 200 мВ

ESD ochrana

Diferenciální signalizace v systémech RS-485 a RS-422 poskytuje spolehlivý přenos dat v přítomnosti šumu a diferenciální vstupy jejich přijímačů mohou také odmítat významná souosá napětí. Je však nutné přijmout dodatečná opatření k ochraně proti výrazně vyšším úrovním napětí, které jsou běžně spojovány s elektrostatickým výbojem (ESD).

Nabitá kapacita lidského těla umožňuje člověku ničit integrovaný obvod jednoduchým dotykem. K takovému kontaktu může snadno dojít při pokládání a připojování kabelu rozhraní. Pro ochranu před takovými škodlivými vlivy obsahují čipy rozhraní MAXIM "ESD struktury". Tyto struktury chrání výstupy vysílačů a vstupy přijímačů v transceiverech RS-485 před úrovněmi ESD až do ±15kV.

Aby byla zajištěna požadovaná ochrana ESD, Maxim testuje kladné a záporné napájecí vodiče několikrát v krocích po 200 V, aby ověřil konzistenci úrovně až do ±15 kV. Zařízení v této třídě (která splňují specifikace Human Body Model nebo IEC 1000-4-2) jsou označena dodatečnou příponou „E“ v označení produktu.

Zatížitelnost budiče RS-485/RS-422 je kvantifikována v jednotkové zátěži, která je zase definována jako vstupní impedance jednoho standardního přijímače RS-485 (12 kΩ). Standardní ovladač RS-485 tedy může řídit 32 jednotkových zátěží (32 paralelních zátěží 12 kΩ). U některých přijímačů RS-485 je však vstupní impedance vyšší – 48 kΩ (1/4 jednotkové zátěže) nebo dokonce 96 kΩ (1/8 jednotkové zátěže) – a podle toho lze k jednomu přijímači připojit 128 nebo 256 takových přijímačů. autobus najednou.. Můžete připojit libovolnou kombinaci typů přijímačů, pokud jejich paralelní impedance nepřesáhne 32 jednotkových zátěží (tj. celková impedance alespoň 375 ohmů).

Důsledky vysokých rychlostí

Rychlejší přenosy vyžadují vyšší rychlosti přeběhu na výstupu budiče, a ty zase způsobují vyšší úrovně elektromagnetického rušení (EMI). Některé transceivery RS-485 minimalizují EMI omezením jejich rychlosti přeběhu. Pomalejší rychlosti přeběhu také pomáhají kontrolovat odrazy způsobené rychlými přechody, vysoké rychlosti přenos dat nebo dlouhé komunikační linky. Klíčem k minimalizaci odrazů je použití zakončovacích odporů s hodnotami, které odpovídají charakteristické impedanci kabelu. Pro běžné kabely RS-485 (kroucená dvojlinka 24AWG) to znamená umístění 120 ohmových odporů na oba konce spoje.

Kam se poděla veškerá síla?

Zřejmým zdrojem ztrát energie je klidový proud transceiveru (IQ), který je u moderních zařízení značně snížen. Tabulka 2 porovnává klidové proudy nízkovýkonových CMOS transceiverů s průmyslovým standardem 75176.

Tabulka 2. Porovnání svodových proudů pro různé transceivery RS-485

Další charakteristika spotřeby energie transceiverů RS-485 nastává, když není žádná zátěž, je povolen výstup ovladače a je přítomen periodický vstupní signál. Vzhledem k tomu, že je třeba se vždy vyhnout otevřeným linkám v RS-485, ovladače "zatloukají" své výstupní struktury pokaždé, když je výstup přepnut. Toto krátké sepnutí obou výstupních tranzistorů okamžitě způsobí přepětí. Dostatečně velký vstupní kondenzátor tyto rázy vyhlazuje a vytváří RMS proud, který stoupá s rychlostí přenosu dat až na svou maximální hodnotu. U transceiverů MAX1483 je toto maximum přibližně 15 mA.

Připojení standardního transceiveru RS-485 na minimální zátěž (další transceiver, dva zakončovací odpory a dva ochranné odpory) umožňuje měřit závislost napájecího proudu na datové rychlosti v reálnějších podmínkách. Obrázek 2 ukazuje ICC versus přenosovou rychlost pro MAX1483 za následujících podmínek: standardní odpory 560 ohmů, 120 ohmů a 560 ohmů, VCC = 5 V, DE = /RE\ = VCC a 300 m kabelu.

Jak můžete vidět na obrázku 2, proudový odběr stoupá na přibližně 37 mA i při extrémně nízkých přenosových rychlostech; to je primárně způsobeno přidáním zakončovacích odporů a ochranných odporů předpětí. U aplikací s nízkým výkonem by to mělo demonstrovat důležitost typu použitého vyjednávání a také to, jak je dosaženo odolnosti proti chybám. Tolerance chyb je diskutována v další části a Detailní popis dohoda je k dispozici v sekci "Zlé vtipy o dohodě".

odolnost proti chybám

Při napětích na vstupech přijímačů RS-485 v rozsahu od -200mV do +200mV zůstává stav výstupu nedefinovaný. Jinými slovy, pokud je rozdílové napětí na straně RS-485 v poloduplexní konfiguraci 0 V a žádný transceiver není na lince (nebo je spojení nefunkční), pak jsou logická jednička a logická nula na výstupu stejně pravděpodobně. Pro zajištění určitého výstupního stavu za takových podmínek vyžaduje většina moderních transceiverů RS-485 instalaci ochranných rezistorů předpětí: rezistor pro nastavení počáteční vysoké úrovně (pullup) na jedné lince (A) a nízké úrovně (pulldown) na druhé lince. (B), jak je znázorněno na obrázku 1. Historicky byly bezpečnostní předpětí ve většině obvodů specifikovány na hodnotu 560 ohmů, aby se snížily ztráty výkonu (když je zakončení provedeno pouze na jednom konci spoje), tuto hodnotu lze zvýšit přibližně na 1,1 kΩ. Někteří vývojáři instalují na oba konce odpory s hodnotami od 1,1 kΩ do 2,2 kΩ. Zde musíme najít kompromis mezi odolností proti hluku a spotřebou energie.

Obrázek 1. Tři externí rezistory tvoří zakončovací a ochranný obvod pro tento transceiver RS-485.

Obrázek 2. Napájecí proud transceiveru MAX1483 versus rychlost přenosu dat.

Výrobci vysílačů/přijímačů RS-485 již dříve eliminovali potřebu externích rezistorů předpětí tím, že na vstupech přijímače poskytovali vnitřní odpory s kladným předpětím, ale tento přístup byl účinný pouze pro řešení problému s otevřeným obvodem. Kladné předpětí použité v těchto pseudo-bezpečných přijímačích byly příliš slabé na to, aby nastavily výstupní úroveň přijímače na přizpůsobené sběrnici. Další pokusy vyhnout se použití externích rezistorů změnou prahových hodnot přijímače na 0 V a -0,5 V porušovaly specifikaci RS-485.

Rodina transceiverů Maxim MAX3080 a MAX3471 vyřešila oba tyto problémy tím, že poskytla přesný rozsah prahové citlivosti -50 mV až -200 mV, čímž eliminovala potřebu bezpečnostních předpětí při zachování plné shody se standardem RS-485. Tyto integrované obvody zajišťují, že 0V na vstupu přijímače způsobí vysoký výstup. Navíc tato konstrukce zaručuje známý stav výstupu přijímače jak pro uzavřené, tak přerušované podmínky.

Jak ukazuje tabulka 2, transceivery se značně liší v hodnotách klidového proudu. Prvním krokem k úspoře energie by tedy měla být volba zařízení s nízkou spotřebou energie, jako je MAX3471 (2,8uA s vypnutým ovladačem, až 64Kbps). Vzhledem k tomu, že spotřeba energie při přenosu dat výrazně roste, je dalším cílem minimalizovat provozní dobu řidičů vysíláním krátkých telegramů (datové bloky, cca Lane) s dlouhými čekacími dobami mezi nimi. Tabulka 3 ukazuje strukturu typického telegramu sériového přenosu.

Tabulka 3. Sériový telegram

Systém založený na RS-485 využívající přijímače na jednotku zatížení (až 32 adresovatelných zařízení) může mít například následující bity: 5 adresových bitů, 8 datových bitů, startovací bity (všechny rámce), stop bity (všechny rámce), paritní bity (volitelné) a bity CRC (volitelné). Minimální délka telegramu pro tuto konfiguraci je 20 bitů. Pro bezpečné převody musíte odeslat Dodatečné informace, jako je velikost dat, adresa odesílatele a směr, což zvýší délku telegramu na 255 bajtů (2040 bitů).

Změna délky telegramu tímto způsobem se strukturou definovanou standardy, jako je X.25, zajišťuje spolehlivost dat zvýšením času sběrnice a spotřeby energie. Například přenos 20 bitů rychlostí 200 kbps by vyžadoval 100 µs. Při použití MAX1483 k odesílání dat každou sekundu rychlostí 200 kb/s by průměrný proud byl

(100 µs * 53 mA + (1 s - 100 µs) * 20 µA) / 1 s = 25,3 µA

Když je transceiver v klidovém režimu, jeho ovladač by měl být deaktivován, aby se minimalizovala spotřeba energie. Tabulka 4 ukazuje vliv délky telegramu na spotřebu energie jediného ovladače MAX1483, který běží v intervalech mezi přenosy. Použití režimu vypnutí může dále snížit spotřebu energie v systému, který používá technologii dotazování v pevných intervalech nebo delších deterministických mezerách mezi přenosy.

Tabulka 4. Korelace mezi délkou telegramu a spotřebou proudu při použití ovladače MAX1483

Kromě těchto softwarových aspektů nabízí hardware dostatek prostoru pro zlepšení z hlediska spotřeby energie. Obrázek 3 porovnává proud odebíraný různými transceivery při přenosu signálu obdélníkového tvaru přes 300metrový kabel s aktivními ovladači a přijímači. 75ALS176 a MAX1483 používají standardní zakončovací obvod 560Ω/120Ω/560Ω na obou koncích linky, zatímco „skutečně bezpečná“ zařízení (MAX3088 a MAX3471) mají na obou koncích sběrnice pouze zakončovací odpory 120Ω. Při 20 Kbps se proudová spotřeba pohybuje od 12,2 mA (MAX3471 s VCC = 3,3 V) do 70 mA (75ALS176). K výraznému snížení spotřeby tedy dochází okamžitě, jakmile zvolíte nízkopříkonové zařízení s vlastností „skutečný failsafe“, což navíc eliminuje nutnost instalace ochranných předpětí (k zemi i k napájení VCC čára). Ověřte, že přijímač zvoleného transceiveru RS-485 vysílá správné logické úrovně pro podmínky uzavřeného i otevřeného obvodu.

Obrázek 3. Čipy transceiveru se velmi liší v závislosti spotřeby proudu na rychlosti přenosu dat.

Zlé vtipy o dohodě

Jak bylo uvedeno výše, zakončovací odpory eliminují odrazy způsobené nesouladem impedance, ale jejich nevýhodou je dodatečná ztráta výkonu. Jejich účinek je uveden v tabulce 5, která uvádí spotřebu proudu pro různé transceivery (ovladač aktivní) pro žádné odpory, pouze zakončovací odpory a kombinaci zakončovacích a bezpečnostních odporů.

Tabulka 5. Zakončovací a předpětí zvyšují odběr proudu

MAX1483 MAX3088 MAX3471 SN75ALS176
I VCC (bez RT) 60 uA 517 uA 74 uA 22 uA
I VCC (RT=120) 24 uA 22,5 uA 19,5 uA 48 uA
I VCC (RT = 560-120-560) 42 uA N/A N/A 70 uA

Výjimka z vyjednávání

Prvním způsobem, jak snížit spotřebu energie, je úplné odstranění zakončovacích odporů. Tato možnost je možná pouze pro krátké komunikační linky a nízké rychlosti datové přenosy, které umožňují usazení odrazů předtím, než jsou data zpracována přijímačem. Jak ukazuje praxe, přizpůsobení není nutné, pokud je doba náběhu signálu alespoň čtyřnásobkem doby zpoždění jednosměrného signálu přes kabel. Následující kroky používají toto pravidlo k výpočtu maximální povolené délky neodpovídajícího kabelu:

  • Krok 1. U daného kabelu najděte jednosměrnou rychlost, obvykle udávanou výrobcem kabelu jako procento rychlosti světla ve volném prostoru (c = 3x10 8 m/s). Typická hodnota pro standardní kabel s PVC izolací (skládající se z kroucené dvoulinky AWG #24) je 203 mm/ns.
  • Krok 2. Ze specifikace transceiveru RS-485 zjistěte jeho minimální dobu náběhu (t r min). Například u MAX3471 je to 750ns.
  • Krok 3. Vydělte tuto minimální dobu náběhu 4. Pro MAX3471 dostaneme t r min /4 = 750ns/4 = 187,5ns.
  • Krok 4. Vypočítejte maximální délku kabelu, pro kterou není vyžadováno přizpůsobení: 187,5 ns (230 mm/ns) = 38 m.

MAX3471 tak může poskytovat slušnou kvalitu signálu při vysílání a příjmu rychlostí 64 Kbps přes 38metrový kabel bez zakončovacích odporů. Obrázek 4 ukazuje dramatické úspory energie dosažené u MAX3471 při použití 30 metrů kabelu bez zakončovacích odporů namísto 300 metrů kabelu a 120 zakončovacích odporů.

Obrázek 4. Zakončovací odpory - hlavní spotřebič energie.

RC shoda

Na první pohled je schopnost RC zakončení blokovat DC velmi slibná. Zjistíte však, že tato technika vyžaduje jisté podmínky. Ukončení se skládá ze sériového RC řetězce paralelně se vstupy diferenciálního přijímače (A a B), jak je znázorněno na obrázku 5. Přestože R je vždy rovno charakteristické impedanci kabelu (Z 0), volba C vyžaduje určitou úvahu. Velké hodnoty C poskytují dobré přizpůsobení, což umožňuje jakémukoli signálu vidět R, které odpovídá Z0, ale velké hodnoty také zvyšují špičkový výstupní proud ovladače. Bohužel delší kabely vyžadují vyšší hodnoty C. Celé články byly věnovány určení hodnocení C, aby bylo dosaženo tohoto kompromisu. Podrobné rovnice na toto téma naleznete v příručkách, na které se odkazuje na konci tohoto článku.

Obrázek 5. Přizpůsobení RC snižuje spotřebu, ale vyžaduje pečlivý výběr hodnoty C.

Průměrné napětí signálu je dalším důležitým faktorem, který je často přehlížen. Pokud není průměrné napětí signálu vyváženo na stejnosměrný proud stejnosměrný efekt krokování po schodech způsobuje značné chvění kvůli efektu známému jako "intersymbolová interference". Stručně řečeno, RC zakončení je účinné při snižování spotřeby energie, ale je náchylné ke zničení kvality signálu. Protože vyjednávání RC klade tolik omezení na jeho použití, nejlepší alternativa v mnoha případech - žádná dohoda.

Párování na Schottkyho diodách

Schottkyho diody nabízejí alternativní způsob ukončení, pokud je problémem vysoká spotřeba energie. Na rozdíl od jiných typů přizpůsobení se Schottkyho diody nesnaží přizpůsobit charakteristické impedanci sběrnice. Místo toho jednoduše potlačí hroty a hroty na hranách pulzu způsobené odrazem. V důsledku toho jsou změny napětí omezeny na kladné prahové napětí a nulu.

Schottkyho diody plýtvají jen málo energií, protože vedou pouze tehdy, když jsou přítomny kladné a záporné špičky. Na druhou stranu standardní odporové zakončení (s nebo bez bezpečnostních odporů) neustále rozptyluje energii. Obrázek 6 znázorňuje použití Schottkyho diod pro potlačení odrazů. Schottkyho diody neposkytují provoz odolný proti poruchám, nicméně prahové úrovně napětí zvolené v transceiverech MAX308X a MAX3471 umožňují implementovat provoz odolný proti poruchám s tímto typem přizpůsobení.

Obrázek 6. Navzdory vysoké ceně má přizpůsobovací obvod Schottkyho diody mnoho výhod.

Schottkyho dioda, nejlepší dostupná aproximace ideální diody (nulové propustné napětí Vf, nulová doba zapnutí tON a nulová doba zpětného zotavení trr), je velmi zajímavá jako náhrada za výkonově náročné zakončovací odpory. Nevýhodou tohoto přizpůsobení v systémech RS-485/RS-422 je, že Schottkyho diody nedokážou potlačit všechny odrazy. Jakmile se odražený signál sníží pod propustné napětí Schottkyho diody, jeho energie zůstane neovlivněna zakončovacími diodami a přetrvává, dokud není rozptýlena kabelem. Zda je tato prodloužená porucha významná nebo ne, závisí na velikosti signálu na vstupech přijímače.

Hlavní nevýhodou Schottkyho terminátoru je jeho cena. Jeden koncový bod vyžaduje dvě diody. Vzhledem k tomu, že sběrnice RS-485/RS-422 je diferenciální, je toto číslo opět vynásobeno dvěma (obrázek 6). Použití více Schottkyho terminátorů na sběrnici není neobvyklé.

Schottkyho diodové terminátory poskytují mnoho výhod pro systémy založené na RS-485/RS-422 a úspora energie je hlavní z nich (obrázek 7). Není třeba nic počítat, protože stanovené limity pro délku kabelu a přenosovou rychlost budou dosaženy před limity Schottkyho terminátoru. Další výhodou je, že více Schottkyho zakončení na různých odbočkách a vstupech přijímače zlepšuje kvalitu signálu bez zatížení komunikační sběrnice.

Obrázek 7. Spotřeba proudu v systémech RS-485 je vysoce závislá na přenosové rychlosti a typu zakončení.

Shrnutí

Když je datová rychlost vysoká a kabel je dlouhý, je obtížné dosáhnout ultra nízké spotřeby v systému RS-485, protože je nutné instalovat odpovídající zařízení na komunikační linku (terminátory). V tomto případě mohou transceivery s funkcí "skutečné odolnosti proti šumu" na výstupech přijímače šetřit energii i při použití terminátorů, což eliminuje potřebu ochranných předpětí. Softwarová komunikace také snižuje spotřebu energie nastavením transceiveru do deaktivovaného stavu nebo deaktivací ovladače, když se nepoužívá.

U nižších rychlostí a kratších kabelů je rozdíl ve spotřebě energie obrovský: Přenos dat rychlostí 60 kbps po 30metrovém kabelu pomocí standardního transceiveru SN75ALS176 se 120 ohmovými zakončovacími odpory bude vyžadovat 70 mA proudu z napájecího systému. Na druhou stranu použití MAX3471 za stejných podmínek by vyžadovalo pouze 2,5 mA z napájecího zdroje.