3.10 Контроллерные сети

3.10.1 Интерфейс rs-485

RS-485 (Recommended Standard 485, Electronics Industries Association 485, EIA-485) – стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи.

Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA – Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA – Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard – 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 RS485 охватывают широкое разнообразие приложений. Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.

В стандарте RS-485 для передачи и приѐма данных часто используется единственная витая пара проводов. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

RS-485 имеет следующие особенности:

Возможность объединения несимметричных и симметричных цепей.

Параметры качества сигнала, уровень искажений (%).

Методы доступа к линии связи.

Протокол обмена.

Аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель).

Типы соединителей, разъѐмов, колодок, нумерацию контактов.

Качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск).

Отражения в длинных линиях.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485:

32 приѐмопередатчика при многоточечной конфигурации сети (на одном сегменте, максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети 1200м).

Только один передатчик активный.

Максимальное количество узлов в сети — 250 с учѐтом магистральных усилителей.

Соответствие скорости обмена длине линии связи (зависимость экспоненциальная):

62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара).

375 кбит/с 300 м (одна витая пара).

2400 кбит/с 100 м (две витые пары).

10000 кбит/с 10 м.

Примечание: скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.

Тип приѐмопередатчиков – дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от −7В до +12В (+7В).

3.10.1.1 Согласование и конфигурация линии связи

При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому – конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия – желоб, наполненный водой. Волна, созданная в одном конце, идет по желобу и, отразившись от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и т.д., пока не затухнет. Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако время реакции приемников десятки-сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившегося в конце линии и вернувшегося обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения [27].

У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар Zв=120 Ом. Если на удаленном конце линии между проводниками витой пары включить резистор с номиналом, равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до «тупика», поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия – согласующий резистор или «терминатор».

Большой минус согласования на резисторах – повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы уменьшить потребление тока, например, посредством включения последовательно с согласующим резистором конденсатора для развязки по постоянному току. Однако такой способ имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0,25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии [27].

Рис. 102. Согласование линии связи.