Интерфейс RS 485: описание

В этой статье мы разберем широко применяемый стандарт для промышленных сетей. Речь идет об интерфейсе RS 485. Представим его описание, техническую характеристику, а также сравнение с двумя другими популярными интерфейсами - RS 232, RS 422.

Определение понятия

Интерфейс RS 485 (расшифровка аббревиатуры: Recommended Standard 485) - стандарт физического уровня (электрическая и физическая среда для передачи информации) для асинхронного интерфейса (узла вычислительной техники, предназначенного для организации связи с иными электронными, цифровыми устройствами). В технической литературе также можно встретить следующее наименование интерфейса RS 485: Electronic Industries Alliance-485.

Данный стандарт регламентирует электрические параметры многоточечной полудуплексной дифференциальной линии связи (ее тип - "общая шина"). Сегодня интерфейс достаточно популярен в соответствующих областях промышленности. Что можно выделить прежде всего? Он стал базой для создания целого комплекса-семейства промышленных сетей, которые применяются в производственной автоматизации.

Теперь что касается двойного названия. Интерфейс RS 485 был разработан в результате сотрудничества двух корпораций: Telecommunications Industry Association (Ассоциации промышленных средств связи) и Electronic Industries Association (Ассоциации электронного производства). Раньше EIA для своих разработок использовала маркировку RS (в переводе с английского - "рекомендованный стандарт").

Однако потом корпорация заменила данный префикс на EIA/TIA, чтобы стало возможным легко идентифицировать создателей стандарта. Но все же многие инженеры предпочитают использовать в работе, технических статьях прежнюю маркировку RS.

Описание интерфейса

Чтобы разобраться с преобразователем интерфейса RS 485/RS 232 (последний мы кратко представим в заключении статьи), нужно знать основные параметры. Разберем самые главные:

• Дальность и скорость. Интерфейс может обеспечить передачу информации со скоростью до 10 Мбит в секунду. Максимальная дальность тут будет зависеть от скорости.
• Количество соединяемых аппаратов. Число устройств, подключенных к одной линии, зависит от разновидности применяемых приемопередатчиков. Один рассчитан на управление 32 приемниками стандартного типа.
• Разъемы и протоколы. Разработанный стандарт не нормирует протокол обмена и форматы информационных кодов. Почему часто используются преобразователи интерфейсов RS 232/RS 485? Для передачи байтов информации здесь используются идентичные фреймы: стоповый и стартовый бит, биты паритета и данных. В большинстве систем протоколы будут функционировать по принципу "ведущий-ведомый". Как это выглядит? Одно из устройств магистрали избирается ведущим. Оно инициирует обмен, посылая соответствующие запросы подчиненным устройствам. Последние различаются по логическим адресам.

Технохарактеристики интерфейса

RS 485 - это одна витая пара проводов, которая и используется для приема и передачи данных. В некоторых случаях ее сопровождает общий провод или экранизирующая обводка.

Данные тут передаются путем дифференцированных сигналов. Логическая единица - разница напряжений между проводниками одной полярности, ноль - соответственно, разница напряжений между проводниками другой полярности.

Что важно знать о разветвителе интерфейса RS 485? Сам стандарт формирует только электрические и временные его (интерфейса) характеристики. При этом стандарт не будет оговаривать следующее:

• Типы кабелей и соединителей.
• Протокол обмена.
• Различные протоколы качества сигнала (нормальный уровень отражений и искажений в длинных линиях).
• Гальванические развязки линии связи.

Особенности временные и электрические

Приведем важные для инженеров характеристики популярного промышленного интерфейса RS 485:

• В одном сегменте сети - до 32 приемопередатчиков.
• Наибольшая продолжительность одного сегмента сети: 1200 метров.
• Одномоментно активным здесь может быть только единственный передатчик.
• Максимально допустимое число узлов в сети - 256 (учитывая количество магистральных усилителей).
• Виды приемопередатчиков: потенциальный и дифференциальный.
• Изменение выходных и входных напряжений на линиях А и В представлены таким образом: Ua (Ub) от −7 В до -12 В (соответственно, +7 В до +12 В).

Характеристики по скорости обмена данными, определяющей длину всей линии:

• 62,5 Кбит/сек. - 1,2 тыс. метров (используется одна витая пара).
• 375 Кбит/сек. - 500 метров (используется одна витая пара).
• 500 Кбит/сек.
• 1000 Кбит/сек.
• 2400 Кбит/сек. - 100 метров (используются две витых пары).
• 10000 Кбит/сек. - 10 метров.

Важное примечание для интерфейса RS 485. Стандарт оговаривает только следующие скорости: 62,5 Кбит/сек, 2400 Кбит/сек, 375 Кбит/сек. На всех иных (более 500 Кбит/сек) рекомендовано использование витых пар с экраном.

Теперь перейдем к требованиям, установленным для выходного каскада. Он должен представлять собой источник напряжения, имеющий малое сопротивление: |U вых|=1,5:5,0 В (не меньше 1,5 В и не больше 6,0 В). Отсюда выходит следующее:

• Состояние логического "1": Ua меньше Ub - MARK, OFF. Для данного случая гистерезис 200 мВ.
• Состояние логического "0": Ua больше Ub - SPACE, ON. Для данного случая гистерезис также 200 мВ. Надо сказать, что производители устройств (драйверов, микросхем) выбирают меньшие показатели - гистерезис от 10 мВ.
• Выходной каскад обязательно должен выдерживать режимы короткого замыкания, а также иметь наибольший выходной ток 259 мА, схемы ограничения выходных мощностей, быстроту увеличения выходных сигналов 1,2 В/мкс.

При использовании разветвителя интерфейса RS 485 также важно быть в курсе требований, указанных для входного каскада. Он представляет собой дифференциальный вход, имеющий высокое входное сопротивление. Его пороговые характеристики: от +200 мВ до -200 мВ. Следующие важные сведения:

• Входной сигнал представляется дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и больше).
• Допустимый диапазон (относительно земли) входных напряжений: промежуток от -7 до +12 В.
• Чтобы узнать уровни приемника входного каскада, следует обратиться к состоянию передатчика выходного каскада.

Характеристики сигнала

Повествуя о подключении RS 485, приведем и эту информацию. Для передачи сигнала стандартом определяются следующие линии:

• Неинвертирующая А.
• Инвертирующая В.
• Ноль, необязательная общая линия С.

Согласно стандарту, также определяется следующее:

• V_A больше V_B. Неравенство соответствует логическому 0. Это активное состояние шины.
• V_A меньше V_B. Неравенство соответствует логической 1. Соответственно, это неактивное состояние шины.

Здесь при описании состояний шины будет применяться инверсная логика. А логика однополярных сигналов на выходе приемника и входе передатчика не будет определяться.

Хоть приведенное выше определение весьма недвусмысленное, нередко возникает путаница по поводу того, как следует правильно обозначать неинвертирующие и инвертирующие линии - А или В. Чтобы избежать ее (при подключении RS 485), инженерами используются иные обозначения. Например, "минус" и "плюс".

Но при этом большинство производителей все же придерживаются предписаний стандарта. Неинвертирующая линия обозначается символом А. Соответственно, высокий сигнальный уровень на входе передатчика станет соответствовать состоянию V_A> V_B на шине. Также неравенство будет тождественно высокому уровню сигнала, наблюдаемого на выходе приемника.

Смещение и согласование

Что важно знать в продолжение темы о разветвителе RS 485 еще? Предлагаем вам затронуть также информацию о помехах, которые могут возникнуть в линии связи.

И вот что важно знать об искажениях. При большой продолжительности линии связи часто появляются эффекты длинных линий. Корень проблемы кроется в распределенных индуктивных и емкостных свойствах кабелей. Что выходит в итоге? Сигнал, переданный в линию каким-либо из узлов, начинает искажаться по продолжительности распространения в ней (линии). Появляются сложные резонансные явления.

Так как кабель на своей длине отличается одинаковой конструкцией, одинаковыми распределенными параметрами погонной индуктивности и емкости, данное свойство будет характеризоваться специальным параметром. Это волновое сопротивление.

Если на одном конце кабеля будет подключен резистор с сопротивлением, идентичным волновому сопротивлению линии, то в итоге резонансные явления станут значительно слабее. Название подобного резистора - терминатор. Для сетей вида RS 485 он помещается на каждой из оконечностей длинных линий, так как обе стороны могут оказаться приемными. Волновое сопротивление самых популярных витых пар САТ5 - 100 ОМ. Иные разновидности имеют показатели в 150 Ом и более. А ленточные плоские кабели - до 300 Ом.

На практике номинал резистора выбирают и большего значения, нежели волновое сопротивление, так как омическое сопротивление кабеля порой становится настолько большим, что сигнальная амплитуда на приемной стороне становится слишком малой для устойчивого приема. Тут находят равновесие между резонансными и амплитудными искажениями, повышая номинал терминатора и снижая скорость интерфейса.

Разветвители RS 485 - широко применяемые устройства. Опять же стоит быть в курсе того, что для передачи сигнала через подсоединяемую витую пару характерен еще один источник его искажения. Это разные скорости распространения низкочастотных и высокочастотных сигналов (последние будут распространяться несколько быстрее).

Чтобы не было помех, линия связи должна последовательно обходить все передатчики. И еще важный момент. У витой пары не должно быть длинных отводов (участков-отрезов кабеля для подсоединения к узлу). Исключение: использование повторителей интерфейса, низкие скорости передачи данных (менее 9600 бит/с).

Если активный передатчик отсутствует, то уровень сигнала в линиях не определяется. Чтобы предотвратить ситуацию, когда разница между выходами В и А менее 200 мВ (неопределенное состояние), можно применить смещение с помощью специальной схемы или резисторов. Приемники станут принимать сигнал помехи в том случае, если состояние линий не определено. Для их стабилизации, качественного начала приема порой применяются передачи служебных последовательностей.

Особенности подключения

Кроме преобразователей RS 485, хочется подробнее остановиться на подключении. На основе этого интерфейса конструируется локальная сеть, объединяющая в себе несколько приемопередатчиков.

Самое важное здесь - правильно подсоединить сигнальные цепи, обозначенные А и В. Переполюсовка не будет страшной ошибкой. Но устройство в таком случае функционировать откажется.

При подключении рекомендуется иметь в виду следующие рекомендации специалистов:

• Среда передачи сигнала - кабель на базе витой пары.
• На концах кабеля обязательна заглушка терминальными резисторами (в пределах 120 Ом).
• Сеть прокладывается без ответвлений, по топологии шины.
• Устройства подключаются к кабелю при помощи проводов наименьшей длины.

Примеры использования

Преобразователи RS 485 распространены в промышленной сфере. Рассмотрим также сетевые протоколы, использующие данный стандарт:

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

На основе RS 485 построены следующие промышленные сети:

• ModBus.
• LanDrive.
• ProfiBus DP.

Рекомендации по программированию

Сфера применения преобразователя интерфейса RS 485 широка. В данном пункте мы подробнее остановимся на программировании тех приложений для контроллеров, что для связи используют данный интерфейс:

• Перед началом посылки отключается передатчик. Необходимо выдержать паузу, которая по длительности равна одному фрейму (или же превышает его), включая при этом как стартовые, так и стоповые биты. Чем это хорошо? Приемник успеет нормализоваться и полностью подготовится к первой передаче фрейма данных.
• После выдачи финального байта информации также рекомендуется выждать паузу перед дезактивацией передатчика. С чем это связано? У контроллеров последовательного порта два регистра: сдвиговый выходной для последовательного вывода и входной для передачи информации. Прерывание по передаче формируется контроллером только при опустошении его входного регистра. Информация здесь, получается, уже выложена в сдвиговой регистр, но еще не выдана. Поэтому с момента прерывания до дезактивации передатчика должна выдерживаться пауза. Ее ориентировочная продолжительность - на 0,5 бита более фрейма. Чтобы рассчитать точные значения, необходимо изучить сопроводительную документацию контроллера последовательного порта.
• Так как и приемник, и передатчик данного интерфейса подключены к одной и той же линии, то возникает своеобразная ситуация. Приемник слышит передачу данных от собственного же передатчика. Если для системы характерен произвольный доступ к линии, то такая особенность применяется для проверки отсутствия "столкновений" между собой двух передатчиков. Если система работает по принципу "ведущий-ведомый", на время передачи просто советуется закрывать от приемника прерывания.

Отличия интерфейсов RS 232, 422, 485

Давайте сравним эти популярные стандарты. Объединяет интерфейсы RS 232, RS 485, RS 422 то, что они используются для передачи цифровой информации. При этом 232 более известен как СОМ-порт компьютера. А другие два распространены в промышленной среде для соединения между собой различного оборудования.

Различия RS 232, RS 485 возможно отследить, представив техническую характеристику этих интерфейсов. Начнем с 232:

• Тип передачи данных: полный дуплекс.
• Максимальная протяженность: 15 метров при 9600 бит/сек.
• Контакты, что задействованы в работе: TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, GND.
• Топология: "точка-точка".
• Наибольшее число подключаемых устройств: одно.

Теперь в сравнении RS 232, RS 485, RS 422 следующий интерфейс. Это 422:

• Тип передачи данных: полный дуплекс.
• Максимальная протяженность: 1200 метров при 9600 бит/сек.
• Контакты, что задействованы в работе: TxA, TxB, RxA, RxB, GND.
• Топология: "точка-точка".
• Наибольшее число подключенных устройств: одно (десять в режиме приема).

Сравниваются между собой преобразователи RS 232, RS 485. Приведем краткую характеристику последнего интерфейса, главного в нашем рассказе:

• Тип передачи данных: полудуплекс (то есть два провода) или полный дуплекс (четыре провода).
• Максимальная протяженность: 1200 метров при 9600 бит/сек.
• Контакты, что задействованы в работе: DataA, DataB, GND.
• Топология: многоточечная.
• Наибольшее число подключенных устройств: 32 (с повторителями их число может дорасти до 256).

Вот и все, что мы хотели рассказать об интерфейсе RS 485, широко применяемом сегодня в промышленности для передачи информации между устройствами, аппаратурой. По каким-то характеристикам он схож с родственными стандартами, по каким-то (подключение, передача данных, устранение помех) существенно отличается от них.