Интерфейс RS-485, описание

Интерфейс RS-485 - широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры наряду с традиционным интерфейсом RS-232 содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.

Интерфейс RS-485 поддерживают приборы:

• Измерители-регуляторы серии МЕТАКОН

• Реле времени ЭРКОН-215

• Счетчики импульсов ЭРКОН-315

• Счетчики импульсов ЭРКОН-325..

Интерфейс RS-485 основан на стандарте EIA RS-422/RS-485. К сожалению, полноценного эквивалентного российского стандарта не существует, поэтому в данном разделе предлагаются некоторые рекомендации по применению интерфейса RS-485.

Традиционный интерфейс RS-232 в промышленной автоматизации применяется достаточно редко. Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3…15) В, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низкой помехоустойчивости. Интерфейс RS-232 имеется в каждом PC – совместимом компьютере, где используется в основном для подключения манипулятора типа “мышь”, модема, и реже – для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютера в другой. Передача производится последовательно, пословно, каждое слово длиной (5…8) бит предваряют стартовым битом и заканчивают необязательным битом четности и стоп-битами. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства (так называемое соединение “точка - точка”).

Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2…8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств – повторителей). Кроме того, интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии (так называемая “мультиплексная шина”).

В обычном PC-совместимом персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/232.

Преобразователь интерфейса ПИ-485/232, выпускаемый НПФ “КонтрАвт”, используется при организации связи между устройствами, оборудованными интерфейсом RS-232, но использующими в качестве среды передачи интерфейс RS-485.

Некоторые технические данные преобразователя ПИ-485/232:

• взаимное “прозрачное” преобразование сигналов интерфейсов RS-232 и RS-485 с гальванической изоляцией между ними;

• управление направлением передачи осуществляется со стороны RS-232 по сигналу RTS;

• требует наличия сигнала DTR, используемого для питания преобразователя (на стороне RS-232);

• организация связи между различными устройствами, протокол передачи которых использует полудуплексный режим (запрос и ответ передаются по одной физической линии, но в разные промежутки времени);

• индикация состояния сигналов интерфейса RS-232: RxD (прием), TxD (передача), RTS (сигнал управления передачей);

• максимальная скорость обмена – 19200 бит/с.

Грубо принцип управления направлением передачи преобразователя ПИ-485/232 можно представить так:

Сигнал DTR устанавливается при запуске программного обеспечения подключенного со стороны RS-232 устройства. Сброс DTR производится при завершении работы программного обеспечения. Сигнал RTS устанавливается до начала передачи и сбрасывается после полного ее окончания.

Существуют и полностью автоматические преобразователи, не требующие сигнала управления передатчиком, но, как правило, они требуют жесткого указания скорости обмена и длины передаваемого слова (с учетом стартовых, стоповых бит и бита четности).

Подключение преобразователя ПИ-485/232 к порту RS-232 осуществляется так называемым “модемным” кабелем. Преобразователь имеет 9-контактный разъем (DB9, гнездо), персональный компьютер может иметь разъемы как 9-контактные (DB9, штырь), так и 25-контактные (DB25, штырь). Для 9-контактного разъема распайка кабеля осуществляется “один в один” (в скобках указаны номера контактов):

Этот стандартный кабель производится многими изготовителями.

Преобразователь ПИ-485/232 использует в кабеле линии к контактам 2,3,4,5,7.

Соответствие контактов разъемов DB9 - DB25

Устройства, подключаемые к интерфейсу RS-485, характеризуются важным параметром по входу приемопередатчика: “единица нагрузки” (“Unit Load” - UL). По стандарту в сети допускается использование до 32 единиц нагрузки, т.е. до 32 устройств, каждое из которых нагружает линию в 1 UL. В настоящее время существуют микросхемы приемопередатчиков с характеристикой менее 1 UL, например - 0,25 UL. В этом случае количество физически подключенных к линии устройств можно увеличить, но суммарное количество UL в одной линии не должно превышать 32.

В качестве линии связи используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением ≈120 Ом. Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз: это исключает протекание больших токов по экрану из-за неравенства потенциалов “земли”. Выбор точки, в которой следует заземлять кабель, не регламентируется стандартом, но, как правило, экран линии связи заземляют на одном из ее концов.

Устройства к сети RS-485 подключаются последовательно, с соблюдением полярности контактов A и B:

Как видно из рисунка, длинные ответвления (шлейфы) от магистрали до периферийных устройств не допускаются. Стандарт исходит из предположения, что длина шлейфа равна нулю, но на практике этого достичь невозможно (небольшой шлейф всегда имеется внутри любого периферийного устройства: от клеммы до микросхемы приемопередатчика).

Качество витой пары оказывает большое влияние на дальность связи и максимальную скорость обмена в линии. Существуют специальные методики расчета допустимых скоростей обмена и максимальной длины линии связи, основанные на паспортных параметрах кабеля (волновое сопротивление, погонная емкость, активное сопротивление) и микросхем приемопередатчиков (допустимые искажения фронта сигнала). Но на относительно низких скоростях обмена (до 19200 бит/с) основное влияние на допустимую длину линии связи оказывает активное сопротивление кабеля. Опытным путем установлено, что на расстояниях до 600 м допускается использовать кабель с медной жилой сечением 0,35 мм (например, кабель КММ 2х0,35), на большие расстояния сечение кабеля необходимо пропорционально увеличить. Этот эмпирический результат хорошо согласуется с результатами, полученными расчетными методами.

Даже для скоростей обмена порядка 19200 бит/с кабель уже можно считать длинной линией, а любая длинная линия для исключения помех от отраженного сигнала должна быть согласована на концах. Для согласования используются резисторы сопротивлением 120 Ом (точнее, с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, но, как правило, используемые витые пары имеют волновое сопротивление около 120 Ом и точно подбирать резистор нет необходимости) и мощностью не менее 0,25 Вт – так называемый “терминатор”. Терминаторы устанавливаются на обоих концах линии связи, между контактами A и B витой пары. Преобразователь ПИ-485/232 уже имеет терминатор, и при необходимости его можно включить установкой перемычки между контактами ‘T’ и ‘T’.

В сетях RS-485 часто наблюдается состояние, когда все подключенные к сети устройства находятся в пассивном состоянии, т.е. в сети отсутствует передача и все приемопередатчики “слушают” сеть. В этом случае приемопередатчики не могут корректно распознать никакого устойчивого логического состояния в линии, а непосредственно после передачи все приемопередатчики распознают в линии состояние, соответствующее последнему переданному биту, что эквивалентно помехе в линии связи. На эту проблему не так часто обращают внимания, борясь с ее последствиями программными методами, но тем не менее решить ее аппаратно несложно. Достаточно с помощью специальных цепей смещения создать в линии потенциал, эквивалентный состоянию отсутствия передачи (так называемое состояние “MARK”: передатчик включен, но передача не ведется). Цепи смещения реализованы в преобразователе ПИ-485/232, для их подключения достаточно установить 2 перемычки между контактами ‘+V’ и ‘+V’, ‘-V’ и ‘-V’ соответственно. Для корректной работы цепей смещения необходимо наличие двух терминаторов в линии связи. Точная настройка цепей смещения описана в руководстве по эксплуатации преобразователя ПИ-485/232, но она не потребуется, если к сети подключены только произведенные в НПФ “КонтрАвт” устройства.

В сети RS-485 возможна конфликтная ситуация, когда 2 и более устройства начинают передачу одновременно. Это происходит в следующих случаях:

• в момент включения питания из-за переходных процессов устройства кратковременно могут находится в режиме передачи;

• одно или более из устройств неисправно;

• некорректно используется так называемый “мультимастерный” протокол, когда инициаторами обмена могут быть несколько устройств.

В первых двух случаях быстро устранить конфликт невозможно, что теоретически может привести к перегреву и выходу из строя приемопередатчиков RS-485. К счастью, такая ситуация предусмотрена стандартом и дополнительная защита приемопередатчика обычно не требуется.

В последнем случае необходимо предусмотреть программное разделение канала между устройствами - инициаторами обмена, так как в любом случае для нормального функционирования линия связи может одновременно предоставляться только одному передатчику. В протоколе обмена, реализованном в устройствах и программном обеспечении НПФ “КонтрАвт”, мультимастерный режим не поддерживается.