Питание по rs 485. Особенности в работе системы с использованием РПИ

Заставить похудеть конструкции с применением RS-485 просто, если вы понимаете, как в то же самое время сохранить хорошее качество связи. Эта статья охватывает факты, мифы и злые шутки, о которых вам следует знать для достижения этой цели.

В системах промышленной автоматизации и автоматизации зданий применяется ряд удаленных устройств сбора данных, которые передают и принимают информацию через центральный модуль, предоставляющий доступ к данным пользователям и другим процессорам. Регистраторы данных и считывающие устройства типичны для таких приложений. Почти идеальная линия передачи данных для этих целей определена стандартом RS-485, который связывает устройства сбора данных кабелем на основе витой пары.

Поскольку многие из устройств сбора и накопления данных в сетях RS-485 являются компактными автономными устройствами с батарейным питанием, для контроля за их тепловыделением и увеличения срока службы батарей необходимо принятие мер по снижению их энергопотребления. Точно так же экономия энергии важна для носимых устройств и других приложений, в которых интерфейс RS-485 используется для загрузки данных в центральный процессор.

Следующий раздел предназначен в первую очередь для тех, кто не знаком с RS-485.

RS-485: история и описание

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA некогда маркировала все свои стандарты префиксом "RS" (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 RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений.

Стандарты RS-485 и RS-422 имеют много общего, и поэтому их часто путают. Таблица 1 сравнивает их. RS-485, определяющий двунаправленную полудуплексную передачу данных, является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим множественные приемники и драйверы в шинных конфигурациях. EIA/TIA-422, с другой стороны, определяет единственный однонаправленный драйвер с множественными приемниками. Элементы RS-485 обратно совместимы и взаимозаменяемы со своими двойниками из RS-422, однако драйверы RS-422 не должны использоваться в системах на основе RS-485, поскольку они не могут отказаться от управления шиной.

Таблица 1. Стандарты RS-485 и RS-422

	RS-422	RS-485
Режим работы	Дифференциальный	Дифференциальный
Допустимое число Tx и Rx	1 Tx, 10 Rx	32 Tx, 32 Rx
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость передачи данных	10 Мбит/с	10 Мбит/с
Минимальный выходной диапазон драйвера	± 2 В	± 1.5 В
Максимальный выходной диапазон драйвера	± 5 В	± 5 В
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	150 мА	250 мА
Сопротивление нагрузки Tx	100 Ом	54 Ом
Чувствительность по входу Rx	± 200 мВ	± 200 мВ
Максимальное входное сопротивление Rx	4 кОм	12 кОм
Диапазон напряжений входного сигнала Rx	± 7 В	от -7 В до +12 В
Уровень логической единицы Rx	> 200 мВ	> 200 мВ
Уровень логического нуля Rx	< 200 мВ	< 200 мВ

Защита от электростатических разрядов

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 и RS-422 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников кроме того могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от значительно больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.

Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым ее касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля. Для защиты от таких разрушительных воздействий, интерфейсные микросхемы MAXIM включают "ESD структуры". Эти структуры защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15кВ.

Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, Maxim осуществляет многократное тестирование положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200В, для проверки последовательности уровней до ±15кВ. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела (Human Body Model) или IEC 1000-4-2) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом "E".

Допустимая нагрузка драйвера RS-485/RS-422 количественно определяется в терминах единичной нагрузки, которая, в свою очередь, определяется как входной импеданс одного стандартного приемника RS-485 (12кОм). Таким образом, стандартный драйвер RS-485 может управлять 32 единичными нагрузками (32 параллельных 12-килоомных нагрузки). Однако для некоторых приемников RS-485 входное сопротивление является более высоким - 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или даже 96 кОм (1/8 единичной нагрузки) - и, соответственно, к одной шине могут быть подключены сразу 128 или 256 таких приемников. Вы можете подключить любую комбинацию типов приемников, если их параллельный импеданс не превышает 32 единичных нагрузки (т.е. суммарное сопротивление не меньше 375 Ом).

Последствия высоких скоростей

Более быстрые передачи требуют более высоких скоростей нарастания напряжения на выходе драйвера, а они, в свою очередь, производят большие уровни электромагнитных помех (EMI). Некоторые приемопередатчики RS-485 сводят EMI к минимуму, ограничивая их скорости нарастания. Меньшие скорости нарастания также помогают контролировать отражения, вызванные быстрыми переходными процессами, высокими скоростями передачи данных или длинными линиями связи. Основой для минимизации отражений является использование согласующих резисторов с номиналами, соответствующими волновому сопротивлению кабеля. Для обычных кабелей RS-485 (витая пара проводов 24AWG) это означает размещение 120-омных резисторов на обоих концах линии связи.

Куда уходит вся мощность?

Очевидным источником потери мощности является ток покоя приемопередатчика (IQ), который в современных устройствах значительно снижен. В таблице 2 токи покоя малопотребляющих КМОП приемопередатчиков сравниваются с являющимся промышленным стандартом устройством 75176.

Таблица 2. Сравнение токов утечки для различных приемопередатчиков RS-485

Другая характеристика энергопотребления приемопередатчиков RS-485 проявляется при отсутствии нагрузки, разрешении выхода драйвера и присутствии периодического входного сигнала. Поскольку открытых линий в RS-485 нужно избегать всегда, драйверы "долбят" свои выходные структуры при каждом переключении выхода. Это короткое включение обоих выходных транзисторов немедленно вызывает бросок тока питания. Достаточно большой входной конденсатор сглаживает эти броски, производя действующий (RMS) ток, который растет вместе со скоростью передачи данных до своего максимального значения. Для приемопередатчиков MAX1483 этот максимум равен примерно 15 мА.

Подключение стандартного приемопередатчика RS-485 к минимальной нагрузке (еще один приемопередатчик, два согласующих и два защитных резистора) позволяет измерить зависимость тока питания от скорости передачи данных в более реальных условиях. На рисунке 2 представлена зависимость ICC от скорости передачи данных для MAX1483 при следующих условиях: стандартные резисторы на 560 Ом, 120 Ом и 560 Ом, VCC = 5В, DE = /RE\ = VCC, и кабель длиной 300 м.

Как вы можете видеть из рисунка 2, ток потребления возрастает приблизительно до 37мА даже при чрезвычайно низких скоростях передачи данных; это вызвано прежде всего добавлением согласующих резисторов и резисторов защитного смещения. Для малопотребляющих приложений, это должно продемонстрировать важность типа используемого согласования, равно как и способа достижения отказоустойчивости. Отказоустойчивость обсуждается в следующем разделе, а подробное описание согласования имеется в разделе "Злые шутки согласования".

Отказоустойчивость

При напряжениях на входах приемников RS-485 в диапазоне от -200мВ до +200мВ, выходное состояние остается неопределенным. Иными словами, если дифференциальное напряжение на стороне RS-485 в полудуплексной конфигурации равно 0В и ни один из приемопередатчиков не ведет линию (или соединение разорвано), тогда логическая единица и логический ноль на выходе равновероятны. Для обеспечения определенного состояния на выходе в таких условиях, большинство современных приемопередатчиков RS-485 требуют установки резисторов защитного смещения: резистор задания начального высокого уровня (pullup) на одну линию (A) и низкого уровня (pulldown) на другую (B), как это показано на рисунке 1. Исторически, резисторы защитного смещения в большинстве схем указывались с номиналом 560 Ом, однако для снижения энергопотерь (когда согласование производится только на одном конце линии связи) это значение можно увеличить приблизительно до 1,1 кОм. Некоторые разработчики устанавливают на обоих концах резисторы с номиналами от 1,1кОм до 2,2кОм. Здесь приходится искать компромисс между помехоустойчивостью и энергопотреблением.

Рисунок 1. Три внешних резистора формируют цепь согласования и защитного смещения для данного приемопередатчика RS-485.

Рисунок 2. Зависимость тока питания приемопередатчика MAX1483 от скорости передачи данных.

Производители приемопередатчиков RS-485 прежде исключали необходимость использования внешних смещающих резисторов, обеспечивая внутренние резисторы положительного смещения по входам приемника, однако такой подход был эффективен только для решения проблемы разомкнутых цепей. Резисторы положительного смещения, используемые в этих псевдоотказоустойчивых приемниках были слишком слабы для установления уровня на выходе приемника в согласованной шине. Другие попытки избежать использования внешних резисторов за счет изменения пороговых значений приемника на 0В и -0,5В нарушали спецификацию RS-485.

Семейство приемопередатчиков MAX3080 и MAX3471 компании Maxim решило обе эти проблемы, определив точный диапазон пороговой чувствительности от -50мВ до -200мВ, устранив, таким образом, потребность в резисторах защитного смещения, сохраняя при этом полное соответствие стандарту RS-485. Эти микросхемы гарантируют, что 0В на входе приемника вызовет высокий логический уровень на выходе. Более того, эта конструкция гарантирует известное состояние выхода приемника для условий замкнутой и разорванной линии.

Как было показано в таблице 2, приемопередатчики сильно различаются значениями их токов покоя. Таким образом первым шагом в деле сохранения энергии должен стать выбор малопотребляющего устройства, такого, как MAX3471 (2,8 мкА при отключенном драйвере, до 64 Кбит/с). Поскольку потребление энергии существенно возрастает при передаче данных, другой целью является минимизация времени работы драйверов за счет передачи коротких телеграмм (блоков данных, прим. пер.) с длительными периодами ожидания между ними. В таблице 3 представлена структура типовой телеграммы последовательной передачи.

Таблица 3. Телеграмма последовательной передачи

Система на основе RS-485, использующая приемники в одну единичную нагрузку (до 32 адресуемых устройств), может, например, иметь следующие биты: 5 битов адреса, 8 битов данных, стартовые биты (все кадры), стоповые биты (все кадры), биты четности (необязательные), и биты CRC (необязательные). Минимальная длина телеграммы для такой конфигурации - 20 битов. Для безопасных передач, вы должны послать дополнительную информацию, такую как размер данных, адрес отправителя и направление, которая увеличит длину телеграммы до 255 байтов (2040 битов).

Подобное изменение длины телеграммы со структурой, определяемой такими стандартами, как X.25, обеспечивает надежность данных за счет увеличения времени использования шины и потребляемой мощности. Например, передача 20 битов при 200 Кбит/с потребует 100 мкс. При использовании MAX1483 для ежесекундной отправки данных на скорости 200 Кбит/с, средний ток составит

(100 мкс * 53 мА + (1 с - 100 мкс) * 20 мкА) / 1 с = 25.3 мкА

Когда приемопередатчик находится в неактивном режиме (idle mode), его драйвер должен быть отключен для минимизации потребляемой мощности. В таблице 4 демонстрируется влияние длины телеграммы на потребляемую мощность одиночного драйвера MAX1483, который работает с определенными перерывами между передачами. Использование режима отключения (shutdown mode) может еще больше снизить потребляемую мощность в системе, использующей технологию опроса через фиксированные промежутки времени или более длинные, детерминированные перерывы между передачами.

Таблица 4. Соотношение между длиной телеграммы и потребляемым током при использовании драйвера MAX1483

В дополнение к этим программным соображениям, аппаратные средства предлагают множество мест для усовершенствования в части энергопотребления. На рисунке 3 сравниваются токи, потребляемые различными трансиверами при передаче сигнала прямоугольной формы по 300-метровому кабелю с активными драйверами и приемниками. 75ALS176 и MAX1483 используют стандартную согласующую цепь 560Ом/120Ом/560Ом на обоих концах линии связи, в то время, как "истино безотказные" ("true failsafe") устройства (MAX3088 и MAX3471) имеют лишь 120-омные согласующие резисторы на обоих концах шины. При 20 Кбит/с токи потребления ранжируются от 12,2мА (MAX3471 с напряжением питания VCC = 3.3V) до 70мА (75ALS176). Таким образом, значительное сокращение потребления возникает немедленно, как только вы выбираете малопотребляющее устройство со свойством "истиной безотказности", которая, кроме того, исключает необходимость установки резисторов защитного смещения (на землю и на линию питания VCC). Убедитесь, что приемник выбранного вами приемопередатчика RS-485, выдает на выход правильные логические уровни для условий как замкнутой, так и разомкнутой цепи.

Рисунок 3. Микросхемы приемопередатчиков сильно отличаются зависимостью тока потребления от скорости передачи данных.

Злые шутки согласования

Как было отмечено выше, согласующие резисторы устраняют отражения, вызваные рассогласованием импедансов, однако их недостаток - дополнительное рассеяние мощности. Их влияние показано в таблице 5, в которой приводятся токи потребления для различных приемопередатчиков (при активном драйвере) для условий отсутствия резисторов, использования только согласующих резисторов, а также комбинации согласующих резисторов и резисторов защитного смещения.

Таблица 5. Использование согласующих резисторов и резисторов защитного смещения увеличивает потребляемый ток

	MAX1483	MAX3088	MAX3471	SN75ALS176
I VCC (no RT)	60 мкА	517 мкА	74 мкА	22 мкА
I VCC (RT =120)	24 мкА	22.5 мкА	19.5 мкА	48 мкА
I VCC (RT = 560-120-560)	42 мкА	N/A	N/A	70 мкА

Исключение согласования

Первый способ уменьшения потребляемой мощности состоит в том, чтобы вообще устранить согласующие резисторы. Этот вариант возможен только для коротких линий связи и низких скоростей передачи данных, которые позволяют отражениям успокоиться еще до того, как данные будут обработаны приемником. Как показывает практика, согласование не нужно, если время нарастания сигнала по крайней мере в четыре раза превосходит время задержки одностороннего прохождения сигнала через кабель. Следующие шаги используют это правило для вычисления максимальной допустимой длины несогласованного кабеля:

• Шаг 1. Для рассматриваемого кабеля найдите скорость одностороннего прохождения сигнала, обычно предоставляемую производителем кабеля как процентное отношение к скорости света в свободном пространстве (c = 3x10 8 м/с). Типовое значение для стандартного кабеля в поливинилхлоридной изоляции (состоящего их витой пары #24 AWG) составляет 203мм/нс.
• Шаг 2 . Из спецификации приемопередатчика RS-485 найдите его минимальное время нарастания (t r min). Например, для MAX3471 оно равно 750нс.
• Шаг 3 . Разделите это минимальное время нарастания на 4. Для MAX3471 получим t r min /4 = 750нс/4 = 187.5нс.
• Шаг 4 . Вычислите максимальную протяженность кабеля, для которой не требуется согласование: 187.5нс (230мм/нс) = 38м.

Таким образом, MAX3471 может обеспечить приличное качество сигнала при передаче и приеме на скорости 64Кбит/с по 38-метровому кабелю без согласующих резисторов. Рисунок 4 демонстрирует достигнутое драматическое снижение потребления MAX3471, когда 30 метров кабеля без согласующего резистора используются вместо 300 метров кабеля и 120 согласующих резисторов.

Рисунок 4. Согласующие резисторы - основной потребитель мощности.

RC-согласование

На первый взгляд, способность RC согласования блокировать постоянный ток является весьма многообещающей. Вы найдете, однако, что эта техника налагает определенные условия. Согласование состоит из последовательной RC цепочки, включенной параллельно дифференциальным входам приемника (A и B), как показано на рисунке 5. Несмотря на то, что R всегда равно волновому сопротивлению кабеля (Z 0), выбор C требует некоторых рассуждений. Большая величина C обеспечивает хорошее согласование, позволяя любому сигналу видеть R, которое соответствует Z0, однако большие значения также увеличивают пиковое значение выходного тока драйвера. К сожалению, более длинные кабели требуют больших значений емкости C. Целые статьи были посвящены определению номинала C для достижения этого компромисса. Вы можете найти детальные уравнения на эту тему в руководствах, ссылки на которые приведены в конце настоящей статьи.

Рисунок 5. RC согласование снижает потребление, однако требует тщательного выбора номинала C.

Среднее напряжение сигнала - другой важный фактор, который часто игнорируется. Если только среднее напряжение сигнала не сбалансировано по постоянному току, эффект зубчатого контура (stair-stepping effect) по постоянному току вызывает значительные дрожания из-за эффекта, известного как "межсимвольная интерференция." Если коротко, то RC согласование эффективно для снижения потребления, однако оно склонно к разрушению качества сигнала. Поскольку RC согласование налагает так много ограничений на свое использование, лучшая альтернатива во многих случаях - отсутствие согласования вообще.

Согласование на диодах Шотки

Диоды Шотки предлагают альтернативный метод согласования, когда большая потребляемая мощность вызывает беспокойство. В отличие от других типов согласования, диоды Шотки не пытаются соответствовать волновому сопротивлению шины. Вместо этого, они просто подавляют положительные и отрицательные выбросы на фронтах импульсов, вызванные отражением. В результате, изменения напряжения ограничены положительным пороговым напряжением и нулем.

Цепь согласования на диодах Шотки впустую рассеивает незначительную энергию, поскольку они проводят только при наличии положительных и отрицательных выбросов. С другой стороны, стандартное резистивное согласование (как с резисторами защитного смещения, так и без оных), постоянно рассеивает мощность. Рисунок 6 иллюстрирует использование диодов Шотки для борьбы с отражениями. Диоды Шотки не обеспечивают отказоустойчивую работу, однако уровни порогового напряжения, выбранные в приемопередатчиках MAX308X и MAX3471, дают возможность реализовать отказоустойчивую работу с этим типом согласования.

Рисунок 6. Несмотря на дороговизну, цепь согласования на диодах Шотки имеет много достоинств.

Диод Шотки, наилучшее доступное приближение к идеальному диоду (нулевое прямое напряжение Vf, нулевое время включения tON и нулевое время обратного восстановления trr), представляет большой интерес в качестве замены энергоемких согласующих резисторов. Недостаток такого согласования в системах на основе RS-485/RS-422 заключается в том, что диоды Шотки не могут подавлять все отражения. Как только отраженный сигнал угаснет ниже прямого напряжения диода Шотки, его энергия останется незатронутой согласующими диодами и сохранится до тех пор, пока не будет рассеяна кабелем. Существенно или нет это затяжное возмущение, зависит от величины сигнала на входах приемника.

Главный недостаток Шотки-терминатора - его стоимость. Одна точка согласования требует двух диодов. Поскольку шина RS-485/RS-422 является дифференциальной, это число снова умножается на два (Рисунок 6). Использование на шине многжественных Шотки-терминаторов не является необычным.

Терминаторы на диодах Шотки дают много преимуществ для систем на основе RS-485/RS-422, и экономия энергии - главное из них (Рисунок 7). Не нужно ничего вычислять, поскольку специфицированные ограничения для длины кабеля и скорости передачи данных будут достигнуты раньше, чем какие либо ограничения Шотки-терминатора. Другое преимущество заключается в том, что множественные Шотки-терминаторы в различных ответвлениях и на входах приемников улучшают качество сигнала без загрузки коммуникационной шины.

Рисунок 7. Потребляемый ток в системах RS-485 сильно зависит от скорости передачи данных и типа согласования.

Подведение итогов

Когда скорость передачи данных высока и кабель имеет большую длину, в системе RS-485 трудно обеспечить сверхмалое потребление (в оригинале "flea power" - "мощность блохи", - Прим. пер.), поскольку возникает необходимость устанавливать на линии связи согласующие устройства (терминаторы). В этом случае приемопередатчики с функцией "истиной помехоустойчивости" на выходах приемников могут экономить энергию даже при использовании терминаторов, устраняя потребность в резисторах защитного смещения. Программная организация связи также позволяет снизить потребляемую мощность, переводя приемопередатчик в отключенное состояние или запрещая драйвер, когда он не используется.

Для более низких скоростей и более коротких кабелей разница в энергопотреблении огромна: Передача данных со скоростью 60 Кбит/с по 30-метровому кабелю при использовании стандартного приемопередатчика SN75ALS176 со 120-омными согласующими резисторами потребует от системы электропитания ток 70мА. С другой стороны, использование MAX3471 при тех же самых условиях потребует только 2,5мА от источника питания.

Здравствуйте. Сегодня мы поговорим о последнем на данный момент уровне. Так же хочу обратить Ваше внимание, что после него написано "продолжение следует...", а это значит, что ещё выйдут обновления на эту игру. Правда, я надеюсь, что их всего будет не 500, как пока мне кажется, ведь все тотемы уже полностью прокачаны, препятствий придумано огромное количество. В общем ладно, не будем о будущем, поговорим о том, что здесь и сейчас перед нами. Итак, за 33 хода нужно уничтожить 10 голубых и 9 зелёных фишек. Проблема заключается в том, что на игровом поле их нет, но они спрятаны под всем каменными пирамидами. Причём сделано это через 1, то есть они чередуются (голубые и зелёные). В остальном всё немного проще, ведь участвует всего три цвета в игре. Начинаем с того, что делаем обычные ходы и копим тотемы. Обратите внимание, что в первую очередь это будет тотем космоса, так как в уровне неестественно повышен уровень концентрации красного цвета, но старайтесь разбивать фиолетовые, всё-таки. Первый тотемные ход надо сделать стихией воды, как показано на изображении. Таким образом будет уничтожено наибольшее количество водных камней.

Теперь мы дожидаемся тотем земли и используем его, как показано на картинках. Не забудьте в левой верхней части задействовать огненный тотем ещё, просто это не показано на картинках. Так же поступаем с тотемом воды, но мне не удалось найти способ уничтожить одновременно два оставшихся камня для этого тотема, но и с одним всё получается. Обратите внимание, что тотем космоса у меня до сих пор бездельничает. В редких случаях я использую его для уничтожения фиолетовых фишек, чтобы быстрей набрать тотем воды, но это необязательно. Далее приходит время как раз использовать тотем космоса, как показано на рисунке, чтобы максимально эффективно уничтожить большинство космических камней (не забывайте, что там через один голубые и зелёные фишки спрятаны).

Идём дальше и снова надо использовать тотем огня. Кстати обратите внимание сейчас, что бонусы лучше не использовать, а копить. И на этот раз это даже не ради , а чтобы выполнить задание. Далее используем тотемы воды и земли, как показано на иллюстрациях выше. Думаю, что по изображениям будет проще ориентироваться, чем по тексту.

Теперь пришло время "второму пришествию" тотема космоса, а именно надо его использовать, как показано на картинке. Далее мы незамедлительно должны использовать тотем воздуха, чтобы уничтожить три камня, как и показано на рисунке. Затем мы сразу же используем тотем космоса, чтобы уничтожить не только камни уже, но и фишки, которые раньше располагались под этими самыми пирамидами.

Идём дальше. Обратите внимание на то, что когда у Вас нет доступного к использованию тотема космоса, его нужно как можно скорее собрать, но количество красных фишек будет Вам благоволить. Дальше мы начинаем постепенно уничтожать фишки, которые в открытом доступе находятся. Для этого я использую наиболее мощные тотемы, чтобы как можно сильнее "обновить" фишки, то есть чтобы больше нападало сверху. Теперь остаётся добить два камня тотемом космоса и открыть оставшиеся зелёные самоцветы. Ну и начинаем их добивать уже любыми способами: если есть - тотемами, если нет - накопленными бонусами.

Интерфейс RS-485, наверное, самый распространенный интерфейс для организации малых сетей промышленной автоматизации.

Этому способствуют его высокие технические характеристики при простоте реализации. Интерфейс RS-485 позволяет простыми аппаратными средствами создавать сети:

• шинной топологии;
• с витой парой в качестве среды передачи данных;
• длина линии связи может достигать 1200 м;
• скорость передачи данных до 10 Мбит/сек.

Для управления распределенными системами на базе RS-485 могут быть использованы многие стандартные протоколы, в том числе и ModBus. Интерфейс позволяет создавать сети и со специализированными протоколами. Для аппаратной реализации RS-485 достаточно добавить к микроконтроллеру только одну микросхему малой степени интеграции.

RS-485 описан в стандарте ANSI TIA/EIA–485–A:1998. Стандарт задает только электрические и временные параметры. Он не оговаривает:

• протокол обмена;
• типы кабелей и разъемов;
• гальваническую развязку абонентов сети.

Основные параметры стандарта RS-485.

Способ передачи данных RS-485.

Стандарт интерфейса RS-485 определяет следующие сигналы:

• A – неинвертирующий;
• B – инвертирующий;
• C – общая линия (необязательный сигнал).

Иногда используют альтернативные обозначения сигналов:

• Data+ / Data-;
• D+ / D-;
• + / -.

В интерфейсе применяется дифференциальный способ передачи данных. Информация передается с помощью двух противофазных сигналов A и B, а состояние шины RS-485 определяется разностью потенциалов между линиями A и B относительно общей линии C. Напряжение каждой линии относительно земли может быть любым, но в пределах диапазона -7 … +12 В.

RS-485 требует применения дифференциальных приемников и передатчиков.

Передатчики формируют 2 противофазных сигнала с разностью напряжений не менее 1,5 В (согласно стандарту).

Для приема данных используются дифференциальные приемники, которые выделяют разность напряжений между линиями A и B. При разности более 200 мВ, но до +12 В состояние линии считается равным логической единицы. При разности напряжений менее – 200 мВ, но не ниже – 7 В линия находится в состоянии логического нуля.

• Va > Vb соответствует лог. 1;
• Va < Vb соответствует лог. 0.

Нетрудно посчитать, что уровень помех и падение напряжения на активном сопротивлении линии могут достигать 1,3 В (выходное напряжение передатчика 1,5 В минус порог срабатывания приемников 0,2 В). Такой запас обеспечивает работу интерфейса на длинных линиях связи со значительным активным сопротивлением. Максимальная длина линии связи (1200 м) определяется именно этим параметром. Реальная разность напряжений на выходе передатчиков может достигать 5 В.

Линии A и B симметричны относительно земли C. Помехи и наводки в них наводятся близкие по форме и величине. В дифференциальных приемниках напряжения на линиях вычитаются, выделяется сигнал, а напряжение помех оказывается равным нулю. Конечно, в реальных условиях всегда существует незначительная асимметрия линий и нагрузок, что ведет к появлению помехи в выходном сигнале, но она существенно ослабляется.

Благодаря симметричности передатчиков и приемников интерфейса значительный эффект в борьбе с электромагнитными помехами дает применение в качестве линии связи витой пары. Токи наводок в соседних витках направлены противоположно друг другу и взаимно компенсируются.

Стандарт RS-485 определяет следующие электрические параметры передатчиков и приемников.

Параметр	Условия	Значение		Единица измерения
		Мин.	Макс.
Выходное напряжение передатчика без нагрузки	Rнагр = ∞	1,5 -1,5	6 -6	В
Выходное напряжение передатчика под нагрузкой	Rнагр = 54 Ом	1,5 -1,5	5 -5	В
Выходное сопротивление передатчика			54	Ом
Ток короткого замыкания передатчика	Замыкание выхода на источник питания +12 В или – 7В	-	±250	мА
Синфазное напряжение на выходе передатчика	Rнагр = 54 Ом	-1	3	В
Чувствительность приемника	Синфазное напряжение от -7 В до +12 В	-	±200	мВ
Синфазное напряжение на входе приемника		-7	+12	В
Входное сопротивление приемника		12	-	кОм
Суммарное входное сопротивление		375	-	Ом

Как правило, устройства с интерфейсами RS-485 объединяют в сеть с топологией ”Общая шина”. Абоненты подключаются параллельно одной двухпроводной линией связи с дополнительным общим проводом.

Каждый абонент подключается к сети через дифференциальные передатчик (D) и приемник (R). В один момент времени активным (включенным) может быть только один передатчик сети. Все остальные передатчики должны находиться в третьем (высокоомном) состоянии. Управление состоянием передатчика происходит отдельным сигналом (DE).

Общая последовательность обмена данными выглядит так. Ведущее устройство включает свой передатчик, передает данные, затем отключает и принимает ответ. Все остальные устройства в этот момент находятся в состоянии с отключенными передатчиками. Ведомое устройство принимает данные, затем включает свой передатчик и передает ответ ведущему устройству.

Естественно, возникают моменты, когда все передатчики отключены, “линия висит в воздухе”. Если не принять специальных мер, то состояние линии будет неопределенно. На выходах приемников может быть любой уровень.

Устранить эту неопределенность можно, если подключить через резисторы неивертирующий вход приемника к шине питания, а инвертирующий вход к земле.

Сопротивления резисторов должны быть такими, чтобы создать смещение между входами приемников не менее порога срабатывания (200 мВ). Эти резисторы должны быть учтены при расчете концевых резисторов – терминаторов.

Существуют другие варианты устранения неопределенности состояния сети в момент, когда все передатчики отключены. Но они все на уровне протоколов.

Можно в начале обмена передавать служебную последовательность кодов. Но это значительно усложняет обмен, требует передачи лишних данных.

Если в сети всегда есть активное устройство, то существует вариант – выключение передатчика в момент, когда второй передатчик уже включен, но оба находятся в состоянии лог. 1. Допустим, ведущее устройство передает данные. Затем оно переводит выход своего передатчика в состояние лог. 1. Ведомое устройство включает свой передатчик, также в состоянии лог. 1. Далее Ведущее устройство отключает передатчик, и ведомое начинает передавать данные. Линия никогда не остается отключенной. Такой алгоритм требует четкой синхронизации, отработки временных интервалов коммутации передатчиков.

Еще одна неприятность эхо. Все, что передает передатчик устройства, воспринимает его собственный приемник. Надо это учитывать. В некоторых системах данные эха обрабатываются, как часть протокола. В других – запрещается работа приемника в момент передачи. В моих билиотеках Tiny_ModBusRTU_Master и Tiny_ModBusRTU_Slave после каждой передачи данных ведущее устройство очищает приемный буфер.

Согласование линии связи.

При передаче данных на значительное расстояние может происходить заметное искажение сигнала в линии связи. Электромагнитная волна отражается от конца кабеля, возвращается к передатчику, возникают резонансные явления.

Причина – распределенные емкостные и индуктивные свойства кабеля. На практике кабель имеет однородную конструкцию на протяжении все длины, следовательно, одинаковые распределенные параметры. Поэтому свойство кабеля можно характеризовать одним параметром – волновым сопротивлением. Так вот, искажение сигнала в кабеле можно значительно уменьшить, если на приемном конце подключить резистор сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля. Такой резистор называется терминатором. В сетях RS-485 терминаторы ставятся на оба конца кабеля, т.к. обе стороны могут быть как приемными, так и передающими.

Волновое сопротивление витых пар, как правило, составляет 100 … 150 Ом. Для сетей RS-485 разработаны специальные кабели с волновым сопротивлением 120 Ом. Именно это сопротивление терминаторов считается стандартным. Часто терминаторы с сопротивлением 120 Ом уже установлены в устройствах с интерфейсом RS-485 и могут быть отключены переключателем.

На практике используются терминаторы и с большим сопротивлением, чем волновое сопротивление кабеля. Если активное сопротивление кабеля велико и сравнимо с сопротивлением терминаторов, то на приемной стороне амплитуда сигнала может значительно снизиться. В этом случае необходимо искать компромисс между допустимыми искажениями сигнала и его амплитудой. На низких скоростях передачи, 9600 бод и ниже, применение низкоомных терминаторов может даже уменьшить качество приема.

На искажения сигнала в линии связи также влияет топология сети. Отражения сигнала происходят от любой неоднородности линии, в том числе и за счет ответвлений. Поэтому линия связи физически должна последовательно обходить устройства сети, без длинных отводов.

Исключения это сети с низкими скоростями передачи данных и сети, использующие повторители. За счет повторителей также может быть увеличена общая длина линии связи RS-485.

Гальваническая развязка.

Стандарт RS-485 не предусматривает гальваническую развязку интерфейса от линии связи. Но если устройства сети расположены на большом расстоянии друг от друга, то потенциалы их земляных проводов могут разойтись на значительное напряжение. В этом случае не спасут дифференциальные сигналы, их потенциалы могут разойтись больше чем допустимые -7 … + 12 В. Это приведет к неработоспособности интерфейса и даже выходе его из строя.

Интерфейс RS-485 предполагает использование соединения между приборами типа «шина», когда все приборы соединяются по интерфейсу одной парой проводов (линии A и B). Линия связи должна быть согласована с двух концов оконечными резисторами

Максимально возможная длина линии RS-485 определяется, в основном, характеристиками кабеля и электромагнитной обстановкой на объекте эксплуатации. При использовании кабеля с диаметром жил 0,5 мм (сечение около 0,2 кв. мм) рекомендуемая длина линии RS-485 - не более 1200 м, при сечении 0,5 кв. мм - не более 3000 м. Использование кабеля с сечением жил менее 0,2 кв. мм нежелательно. Рекомендуется использовать кабель типа «витая пара» для уменьшения восприимчивости линии к электромагнитным помехам, а также уменьшения уровня излучаемых помех. При протяжённости линии RS-485 от 100 м использование витой пары обязательно.
Для подключения приборов к интерфейсу RS-485 необходимо контакты «А» и «В» приборов подключить соответственно к линиям A и B интерфейса.

Для согласования используются резисторы сопротивлением 620 Ом, которые устанавливаются на первом и последнем приборах в линии. Большинство приборов имеет встроенное согласующее сопротивление, которое может быть включено в линию установкой перемычки («джампера») на плате прибора. Поскольку в состоянии поставки перемычки установлены, их нужно снять на всех приборах, кроме первого и последнего в линии RS-485. В преобразователях-повторителях «С2000-ПИ» согласующее сопротивление для каждого (изолированного и неизолированного) выхода RS-485 включается переключателями. В приборах «С2000-К» и «С2000-КС» встроенное согласующее сопротивление и перемычка для его подключения отсутствуют. Если прибор такого типа является первым или последним в линии RS-485, необходимо установить между клеммами «А» и «В» резистор сопротивлением 620 Ом. Этот резистор входит в комплект поставки прибора. Пульт «С2000М» («С2000») может быть установлен в любом месте линии RS-485. Если он является первым или последним прибором в линии, между клеммами «А» и «В» устанавливается согласующий резистор 620 Ом (входит в комплект поставки).

Для увеличения длины линии связи могут быть использованы повторители-ретрансляторы интерфейса RS-485 с автоматическим переключением направления передачи (см. рис.).

Например, преобразователь-повторитель интерфейсов с гальванической изоляцией «С2000-ПИ» позволяет увеличить длину линии максимум на 1500 м, обеспечивает гальваническую изоляцию между сегментами линии и автоматически отключает короткозамкнутые сегменты интерфейса RS-485. Каждый изолированный сегмент линии RS-485 должен быть согласован с двух сторон - в начале и конце. Следует обратить внимание на включение согласующих резисторов в каждом сегменте линии RS-485: они должны быть включены переключателями в повторителях «С2000-ПИ», а не перемычками в приборах, поскольку переключатели не только подключают согласующее сопротивление, но также выдают в линию RS 485 напряжение смещения, которое необходимо для правильной работы этих повторителей.

ВНИМАНИЕ! Цепи «0 В» изолированных сегментов линии между собой не объединяются. Более того, нельзя питать изолированные приборы от общего источника питания во избежание гальванической связи через общие цепи питания.

С помощью повторителей «С2000-ПИ» можно делать длинные ответвления от основной магистрали RS-485 для построения топологии «звезда». При этом должен быть согласован и сегмент, от которого делается ответвление, и каждое из ответвлений, как показано на рис. 83. Следует обратить особое внимание, что согласующие резисторы на «С2000-ПИ» должны устанавливаться переключателями.

Ответвления на линии RS-485 нежелательны, так как они увеличивают искажение сигнала в линии, но практически допустимы при небольшой длине ответвлений (не более 50 м). Согласующие резисторы на отдельных ответвлениях не устанавливаются. Ответвления большой длины рекомендуется делать с помощью повторителей «С2000-ПИ», как показано на рис.

В распределенной системе, в которой подключенные к одной линии RS-485 пульт и приборы питаются от разных источников питания, необходимо объединение цепей «0 В» всех приборов и пульта для выравнивания их потенциалов. Несоблюдение этого требования может привести к неустойчивой связи пульта с приборами. При использовании кабеля с несколькими витыми парами проводов для цепи выравнивания потенциалов можно использовать свободную пару. Допускается использовать для этой цели экран экранированной витой пары при условии, что экран не заземлен. Схема подключения приборов и пульта к линии RS-485 приведена на рис.
На объектах с тяжелой электромагнитной обстановкой для линии RS-485 можно использовать кабель «экранированная витая пара». Максимальная дальность связи при использовании экранированного кабеля может быть меньше из-за более высокой емкости такого кабеля. Экран кабеля нужно заземлять только в одной точке

Иногда возникает необходимость передачи информационного протокола системы «Орион» по локальной вычислительной сети Ethernet. Одним из решений поставленной задачи является использование преобразователей интерфейса «С2000-Ethernet».

При использовании преобразователя возможны два режима работы:

• Прозрачный режим. Осуществляет передачу данных из интерфейса RS-232 или RS-485 в Ethernet и обратно. Предназначен для использования как в составе системы «Орион» (протокол «Орион» и «Орион Про»), так и в составе других систем;
• Режим с сохранением событий. Обеспечивает увеличение скорости обмена между устройствами системы «Орион» и уменьшение объема информации, передаваемой по локальной сети. Режим используется только в системе с протоколом обмена «Орион».

В случае использования топологии типа «точка-многоточие», к одному «С2000-Ethernet» на стороне опросчика допускается подключать до 8 «С2000-Ethernet» на клиентской стороне.

Структурная схема использования «С2000-Ethernet» с «С2000М»

Для подключения удаленных приборов к сетевому контроллеру по волоконно-оптической линии используются два преобразователя «RS-FX-MM» (для многомодовых ВОЛС) или «RS-FX-SM40» (для одномодовых ВОЛС): один – на стороне сетевого контроллера, второй – на стороне удаленных приборов системы «Орион».

Компания «Болид» поставляет сертифицированные в соответствии с преобразователи информационных интерфейсов ИСО «Орион» в ВОЛС, которые могут применяться в том числе в системах АПС и пожарной автоматики. Максимальная длина передачи данных для преобразователя «RS-FX-MM» составляет 2 км, для преобразователя «RS-FX-SM40» - 40 км. Схема подключения приборов по интерфейсу RS-485 с использованием преобразователей в ВОЛС приведена на рис.

В ряде случаев возникает необходимость передачи информационного протокола системы «Орион» по радиоканалу. Основными достоинствами данной сети являются:

• искро-взрывобезопасность;
• отсутствие необходимости прокладывать кабель.

Для решения поставленной задачи можно применить радиомодемы «С2000-РПИ» (частота 2,4 ГГц) и «Невод-5» (433, 92 МГц).

Радиоканальный повторитель интерфейсов «С2000-РПИ» (далее - РПИ) позволяет подключать различное оборудование (с интерфейсом RS-232/RS-485) по радиоканалу и транслировать данные интерфейсов RS-232/RS-485 в диапазоне частот от 2405 до 2483,5 МГц. Предназначен для использования как в составе системы «Орион», так и в составе других систем, использующих пакетную передачу данных. Поддерживает работу в радиосетях с топологиями «Точка-точка», «Точка-многоточие» и ретрансляцию пакетов. Имеет два исполнения: «С2000-РПИ» - с внешней антенной и «С2000-РПИ исп. 01» - без внешней антенны.

Длина радиоканала между двумя РПИ в пределах прямой видимости:

на мощности 10 мВт:

• «С2000-РПИ» - до 200 м (со штатной антенной);
• «С2000-РПИ исп. 01» - до 150 м;

на мощности 100 мВт:

• «С2000-РПИ» - до 600 м (со штатной антенной);
• «С2000-РПИ исп. 01» - до 350 м.

Возможны два режима работы РПИ:

• Дежурный режим. Осуществляет передачу данных из интерфейса RS-232 или RS-485 в радиоканал и обратно;
• Режим ретрансляции. Осуществляет прием и передачу (ретрансляцию пакетов) в радиоканале с одновременной выдачей информации в выбранный проводной интерфейс.

Особенности в работе системы с использованием РПИ:

• Следует учитывать состояние радиоэфира, наличие технологических источников радиопомех, и возможность помех природного характера;
• Для РПИ с внутренней антенной необходимо выбирать место с максимально возможным уровнем сигнала.

В следующих примерах система может работать как с ПК, так и без него.

Соединение «точка-точка»

Соединение «точка-многоточка»

В случае использования топологии типа «точка-многоточие», к одному «С2000-РПИ» на серверной стороне допускается подключать до 6 «С2000-РПИ» на клиентской стороне.

Работа РПИ в режиме ретрансляции пакетов по радиоканалу

Данные, получаемые РПИ №1 по интерфейсу RS-485, передаются по радиоканалу широковещательным пакетом. При приёме пакета по радиоканалу РПИ №2…4 выдают его по интерфейсу RS-485 приборам системы «Орион». РПИ №3 находится в режиме «Ретрансляция» и передаёт принятый пакет по радиоканалу на РПИ №4 и по интерфейсу RS-485 приборам системы «Орион».

Специалистами компании «Болид» были проведены испытания системы «Орион» с применением радиомодемов «Невод-5» производства фирмы «Геолинк Электроникс» (далее «Невод-5»), работающим на частоте 433,92 ± 0,2% МГц.

Соединение «точка-многоточка»

В случае использования топологии типа «точка-многоточка», количество «Невод-5» на клиентской стороне ограничивается только необходимой скоростью работы системы.

Повторяем, что в следующих примерах система может работать как с ПК, так и без него.

Работа в режиме ретрансляции пакетов по радиоканалу

Особенности в работе системы с использованием радиомодемов «Невод-5»:

• При использовании стандартных антенн для волны с частотой 433,92 МГц нельзя располагать передатчики на расстоянии ближе 6 метров друг от друга.
• Следует учитывать состояние радиоэфира, наличие технологических источников радиопомех и возможность помех природного характера

Для охранных систем и систем контроля доступа возможно построение схем без пульта «С2000М», при этом «C2000-Ethernet», помимо передачи интерфейса, осуществляют преобразование интерфейса RS-232 в RS-485.
Преобразователи «RS-FX-MM» и «RS-FX-SM40» не могут использоваться в таком режиме.

Если для сегментов интерфейса RS-485 используется воздушная прокладка, следует применять Блоки защиты линии «БЗЛ».

Для гальванической развязки сегментов интерфейса целесообразно использовать повторители «С2000-ПИ». При этом питание приборов, подключенных до и после «С2000-ПИ», следует производить от разных источников питания. Шины «0В» данных приборов объединять не следует. Рекомендуемая схема на примере объекта из 3-х зданий представлена на рисунке.