Согласующий резистор: Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485 – Согласование сопротивлений | Практическая электроника — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485

RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.

Как было сказано выше стандарт содержит электрические характеристики приемников и передатчиков, которые могут быть использованы для передачи двоичных сигналов в многоточечных сетях, при этом стандарт не оговаривает другие характеристики: такие как качество сигнала, протоколы обмена, типы соединителей для подключения, линии связи. В результате неопределенности потребители часто испытывают трудности при подключении того или иного оборудования к сети RS-485. Порой неправильно разведенная сеть RS-485 способна свести к нулю затраченные на повышение автоматизации усилия, и может стать причиной постоянных отказов, сбоев и ошибок в работе оборудования. Цель данной статьи — предоставить пользователям рекомендации по подключению и практической реализации систем передачи данных на основе интерфейса RS-485.

1 Краткое описание стандарта

В основе интерфейса RS-485 лежит способ дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть данного метода заключается в следующем: по одному проводу (условно линия А) передается нормальный сигнал, а по второму проводу (условно линия В) передается инвертированный сигнал, таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов (рисунок 1). Для случая логической «единицы» разность потенциалов положительна, для логического «нуля» — отрицательна.

Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных

Преимуществом дифференциальной (балансной) передачи данных является высокая устойчивость к синфазным помехам. Синфазная помеха — помеха, действующая на обе линии связи одинаково. Зачастую линии связи прокладываются в местах подверженных неоднородным электромагнитным полям, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, будет наводить в обоих проводах потенциал. В случае RS-232 интерфейса полезный сигнал, который передается потенциалом относительно общего «земляного» провода был бы утерян. При дифференциальной передаче не происходит искажения сигнала в виду того, что помеха одинаково действует на оба проводника и наводит в них одинаковый потенциал, в результате чего разность потенциалов (полезный сигнал) остается неизменной. По этой причине линии связи интерфейса RS-485 представляют собой два скрученных между собой проводника и называются витой парой. Прямые выходы «А» подключаются к одному проводу, а инверсные «В» ко второму проводу (рисунок 2). В случае неправильного подключения выходов к линиям приемопередатчики не выйдут из строя, но при этом правильно функционировать они не будут.

Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485

2 Рекомендации по подключению

Конфигурация сети представляет собой последовательное присоединение приемопередатчиков к витой паре (топология «шина»), при этом сеть не должна содержать длинных ответвлений при подключении устройств, так как длинные ответвления вызывают рассогласования и отражения сигнала (рисунок 3).

Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.

Проблему отражений сигнала в интерфейсе RS-485 решают при помощи согласующих резисторов — «терминаторов», которые устанавливаются непосредственно у выходов двух приемопередатчиков максимально отдаленных друг от друга. Следует отметить, что в большинстве случаев «терминаторы» уже смонтированы в потребительских устройствах и подключаются к сети при помощи соответствующих перемычек на корпусе устройства. Номинал «терминатора» соответствует волновому сопротивлению кабеля, при этом нужно помнить, что волновое сопротивление кабеля зависит от его характеристик и не зависит от его длины. К примеру, для витой пары UTP-5, используемой для прокладки Ethernet волновое сопротивление составляет 100 ±15 Ом. Специализированный кабель Belden 9841…9844 для прокладки сетей RS-485 имеет волновое сопротивление 120 Ом, поэтому расчетами резистора — «терминатора» можно пренебречь и использовать 120 Ом.

Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485

Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.

Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.

Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи

Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.

Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Значение
Максимальное число приемников/передатчиков	32/32
Максимальная длина кабеля, м	1200
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с	10
Уровень логической «1» передатчика, В	+1,5…+6
Уровень логического «0» передатчика, В	–1,5…–6
Диапазон синфазного напряжения передатчика, В	–1…+3
Максимальный ток короткого замыкания передатчика, мА	250
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика, Ом	54
Порог чувствительности приемника, мВ	± 200
Допустимый диапазон напряжений приемника, В	–7…+12
Уровень логической «1» приемника, мВ	более +200
Уровень логического «0» приемника, мВ	менее –200
Входное сопротивление приемника, кОм	12

Стандарт RS-485 (EIA/TIA-485) не регламентирует, по какому протоколу устройства сети должны связываться друг с другом. Наиболее распространенными протоколами связи на данный момент являются: Modbus, ProfiBus, LanDrive, DMX512 и другие. Передача информации осуществляется полудуплексно в большинстве случаев по принципу «ведущий» — «ведомый».

Порог чувствительности приемника составляет ± 200 мВ, то есть при разнице потенциалов на входе приемника в диапазоне от минус 200 мВ до плюс 200 мВ его выходное состояние будет находиться в состоянии неопределенности. Разность потенциалов более 200 мВ приемник принимает как логическую «1», а разность потенциалов менее минус 200 мВ приемник принимает как логический «0». Состояние неопределенности может произойти, когда ни один из передатчиков не активен, отключен от сети, либо находится в «третьем состоянии», либо все устройства сети находятся в режиме приема информации. Состояние неопределенности крайне нежелательно, так как оно вызывает ложные срабатывания приемника из-за несинфазных помех.

Использование защитного смещения позволяет исключить возможность возникновения неопределенного состояния в сети. Для этого линию А необходимо подтянуть резистором к питанию (pullup), а линию В резистором — к «земле» (pulldown). В результате, с учетом «терминаторов», получится резистивный делитель напряжения. Для надежной работы сети необходимо обеспечить смещение порядка 250…300 мВ (рисунок 5).

Рисунок 5 — Защитное смещение

Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.

Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:

R_сети = (R_{общ.терм} · R_общ.вх) / (R_{общ.терм} + R_общ.вх) = (60 · 6000) / (60 + 6000) = 60Ом.

Рассчитаем ток в цепи смещения:

I_см= U_см / R_сети = 0,250В / 60Ом = 0,0042А.

При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:

R_см.общ = U_пит / I_см = 5В / 0,0042А = 1140Ом.

Получаем сопротивление резисторов смещения:

R_см = 1140 / 2 = 570Ом.

Выбираем ближайший номинал 560Ом.

Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения

Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.

Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.

Для гальванически развязанной линии резисторы смещения следует подтягивать к «земле» и питанию со стороны изолированной линии.

Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.

Если приборы, объединенные в одну сеть, питаются от различных источников или находятся на значительном удалении друг от друга, то необходимо дополнительным дренажным проводом объединить «земли» всех устройств. Это правило исходит из того, что разность потенциалов между линией и «землей» по стандарту не должна превышать от минус 7 до плюс 12 В. В случае, когда устройства находятся на значительном расстоянии друг от друга, либо питаются от разных источников разность потенциалов на входе приемопередатчика может превысить в несколько раз допустимый диапазон, что приведет к выходу из строя приемопередатчика. При этом следует учитывать, что подключение устройства к сети RS-485 нужно начинать именно с дренажного провода, а производя отключение устройства в последнюю очередь отсоединять дренажный провод. Для ограничения «блуждающих» токов в дренажном проводе его следует подключать к каждой сигнальной земле через резистор номиналом 100 Ом мощностью 0,5 Вт, помимо этого необходимо через такой же резистор 100 Ом 0,5 Вт подключить дренажный провод к защитному заземлению. Рекомендуем осуществлять защитное заземление дренажного провода в одной точке, чтобы исключить постоянное протекание «блуждающего» тока через него по сравнению со случаем, когда дренажный провод заземляется у каждого устройства. Не следует использовать экран кабеля в качестве дренажного провода.

Рисунок 7 — Использование дренажного провода для уравнивания
потенциала «земель»

Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.

Защита устройств сети RS-485 от дифференциальных перенапряжений составляющих десятки киловольт, например, попадание разряда молнии в линию, осуществляется за счет использования специальных защитных устройств. В простейшем случае все проводники линии шунтируются ограничителями напряжения на «землю» (рисунок 8а). Если заземление линии невозможно, то проводники линии шунтируются ограничителями между собой (рисунок 8б). Защита, организованная на варисторах, супрессорах, газоразрядных трубках, способна выдерживать лишь кратковременные всплески напряжения. Дополнительную защиту от токов короткого замыкания в линиях можно обеспечить при помощи установки в линию плавких предохранителей.

Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех

Как правило, устройства, работающие в сетях RS-485 помимо «терминаторов» имеют встроенную защиту от перенапряжений и импульсных помех. Подробнее об этом можно прочитать в руководстве по эксплуатации на конкретное устройство. Помимо этого на рынке существует множество готовых устройств подавления импульсных помех, принцип действия которых также основан на применении варисторов и газоразрядных трубок. Стоит лишь помнить, что каждое дополнительное устройство защиты, установленное в сети, вносит дополнительную емкость, эквивалентную емкости кабеля длинной 120…130 м.

Подведем итоги:

1. Следует избегать прокладки витой пары совместно с силовыми цепями, особенно в общей оплетке. Линии связи должны находиться не ближе чем 0,5 м от силовых цепей. Пересечение линий связи с силовыми цепями (если этого не избежать) желательно делать под прямым углом. Не рекомендуется использовать в качестве витой пары кабели менее 0,326 мм² (22 AWG). Не допускается наличие «скруток» для сращивания кабеля.

2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.

3. Сеть должна иметь топологию «шина», не допускаются длинные ответвления от основной «шины».

4. Если для конечной системы не требуется высокого быстродействия, то не рекомендуется устанавливать скорость передачи данных «как можно выше». Наоборот максимальная надежность сети достигается на низких скоростях передачи.

5. Согласующие резисторы «терминаторы» устанавливаются в наиболее удаленных точках сети RS-485, обычно они уже смонтированы в устройствах пользователя, поэтому достаточно их только подключить перемычками или переключателями согласно руководству по эксплуатации на конкретное устройство. Сопротивление согласующих резисторов должно равняться волновому сопротивлению используемого кабеля, в противном случае их установка может только навредить.

6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.

7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.

8. При питании удаленного оборудования от различных источников рекомендуется использовать дренажный провод для уравнивания потенциала «земель», при этом следует помнить, что подключение устройства к сети следует начинать именно с дренажного провода, а при отключении устройства в последнюю очередь отключать дренажный провод.

9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.

10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.

Компания ООО «Энергия-Источник» предлагает следующие приборы для передачи и преобразования сигналов интерфейса RS-485:

Согласование сопротивлений | Практическая электроника

Согласование сопротивлений – очень важная часть в электронике. Согласовать – это значит установить соответствие между чем-нибудь, устранив разногласия, противоречия” – так написано в словаре.

Резистор в качестве “миротворца”

Что будет, если в электронике каждый радиоэлемент будет враждовать с другим радиоэлементом? Или каскад будет воевать с каскадом? Тогда ни одна аппаратура не заработает. Поэтому, задача электронщика не просто подобрать радиоэлементы и спаять их, но и сделать так, чтобы все они дружили друг с другом и работали единой командой, выполняя определенную функцию.

Как раз для этих целей миротворцем в радиоэлектронике является самый простой и самый часто используемый радиоэлемент – резистор. Откройте любую схему или посмотрите на любую плату и увидите множество резисторов. Но почему именно резистор считается самым распространенным радиоэлементом на платах?

Все радиоэлементы имеют какое-то свое сопротивление, и у всех оно проявляется по разному. У некоторых радиоэлементов в состоянии покоя сопротивление может быть одно, а в рабочем состоянии – совсем другое. Некоторые радиоэлементы могут менять свое значение сопротивления в зависимости от напряжения, силы тока, температуры, солнечного света и тд. Для того, чтобы согласовать работу этих различных радиоэлементов как раз используют резисторы.

Входное и выходное сопротивление

Как все это происходит? Дело в том, что один радиоэлемент обладает одним сопротивлением, а другой – другим сопротивлением. Чтобы правильно их подцепить к друг другу надо сделать согласование сопротивлений. По идее любой радиоэлемент или каскад имеет так называемое входное и выходное сопротивление. Обязательно читаем про входное и выходное сопротивление, иначе вы не поймете, о чем идет речь в этой статье. Суть согласования сопротивлений состоит в том, что мы должны согласовать выходное сопротивление одного каскада с входным сопротивлением другого каскада.

Почему надо согласовывать сопротивления

Давайте рассмотрим схему:

Если вы читали статью про входное и выходное сопротивление, то наверное помните, что любой источник сигнала имеет в своем составе внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) и источник ЭДС, а любая нагрузка обладает входным сопротивлением.

Предположим, что у нас нет никакой нагрузки:

Что имеем в этом случае? Сила тока в цепи будет равняться нулю, так как у нас обрыв, а напряжение на клеммах будет равняться ЭДС. Или буквами: I_вх=0, U_вх=E. То есть в этом случае амплитуда сигнала будет такой, какой она должны быть.

Но что будет, если мы подсоединим нагрузку?

Для источника сигнала будет не айс. Ему придется поднатужиться, так как цепь стает замкнутой и в цепи начинает течь ток I_вх. Что же тогда случится с напряжением U_вх? Оно будет больше или меньше, или вообще останется таким же? Ответ на этот вопрос прост: все зависит от входного сопротивления нагрузки R_вх . Если оно очень и очень большое, то сигнал почти не изменится. Он будет таким же, как и без нагрузки. Но если нагрузка будет обладать малым сопротивлением, в дело идет закон Ома для полной цепи:

где

I – сила тока, в Амперах

E – ЭДС источника, в Вольтах

R – сопротивление нагрузки, Ом

r – внутреннее сопротивление, Ом

В нашем случае R_вых – это r, I_вх – это I, а R_вх– это R.

Так, теперь давайте будем мыслить логически. Смотрим на схему…

Что будет, если нагрузка будет обладает маленьким входным сопротивлением R_вх?

Во-первых, увеличится сила тока в цепи I_вх.

Во-вторых, так как сила тока в цепи стала большой из-за маленького сопротивления R_вх, следовательно, увеличится падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых .

В-третьих, так как падение напряжения на сопротивлении R_выхувеличилось, то следовательно, на сопротивлении R_вхоно уменьшилось:

С законом Ома для полной цепи не поспоришь 😉 А что такое падение напряжения на R_вх? Это и есть U_вх. Значит делаем вывод: чем низкоомнее нагрузка, тем больше будет просаживаться сигнал напряжения.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения

Итак, из всего выше написанного делаем выводы. Что нам требуется для того, чтобы передать сигнал напряжения в нагрузку и чтобы он не просел? Ответ однозначный – как можно более высокоомную нагрузку. В идеале, чтобы был вообще обрыв). Ну а на практике стараются сделать так, чтобы R_вх> 10R_вых . Поэтому различные приборы, такие как генератор частоты, блок питания и различные источники питания делают как можно с меньшим выходным сопротивлением. Различные измеряющие приборы типа осциллографов и мультиметров делают как можно с бОльшим входным сопротивлением, чтобы не гасить амплитуду сигнала.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока

Смотрим внимательно на схему:

Так как мы не в состоянии поменять R_вых, то какое же надо подобрать сопротивление R_вх,чтобы сила тока в цепи была максимальной? Разумеется, как можно меньше. В идеале – ноль Ом. Этот метод согласования используется редко.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности

Теперь вопрос ставится так: как передать максимальную мощность от источника нагрузке? Если вы не забыли, мощность выражается формулой: P=IU. Так и напрашивается ответ, что R_вхдолжна быть равна нулю. Но тогда у нас все напряжение упадет на R_вых! Получается, что на сопротивлении R_вх=0 Ом у нас будет падать также 0 Вольт. То есть мощность, выделяемая на R_вхбудет равна 0 Ватт.

Если поставить R_вхочень большим, то у нас сила тока в цепи будет крохотной, что в результате опять же мощность, выделяемая на R_вхбудет минимальной.

Так как я не силен в дифференциалах и интегралах, за нас физики и математики уже все посчитали. Оказывается, чтобы передать максимальную мощность в нагрузку, надо чтобы выполнялось простое равенство:

Заключение

Как видите, ничего сложного в согласовании сопротивлений нет. Из всех трех видов согласования чаще всего используется именно согласование по напряжению. Согласование по мощности и по току следует использовать с большой осторожностью, так как в этом случае на сопротивлении R_выхбудет падать большая мощность, что приведет к нагреву источника и даже к его выходу из строя.

Передача данных в промышленных сетях на основе RS485

RS-485 (Recommended Standard 485) – стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Стандарт регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи. В настоящее время RS-485 широко распространен в промышленной автоматизации, его используют многие промышленные сети. Такая популярность связана с возможностью организации двустороннего обмена данными всего по одной витой паре проводов, он обеспечивает большую длину линии связи и высокую скорость передачи.

Передача данных в RS485 осуществляется по дифференциальному принципу. Один сигнал одновременно передается по двум проводам, по одному проводу (A) идет оригинальный сигнал, а по другому проводу (B) – его инверсная копия (см. рисунок). Если на одном проводе высокий уровень сигнала, то на другом – низкий. И наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при передаче логической единицы она положительна, при передаче нуля – отрицательна.

Такой способ передачи обеспечивает высокую степень защиты от помех. Поскольку два провода пролегают близко друг к другу и перевиты, синфазная наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

При разности напряжений на приемнике от +200 мВ до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы. Разность напряжения от -200 мВ до -7 В передается логический нуль. Согласно стандарту, дифференциальное напряжение на выходе передатчика должно быть не менее 1,5 В. Видно, что падение напряжения на омическом сопротивлении линии может достигать 1,3 В (порог срабатывания приемника 200 мВ). Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях связи. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Как же организовать двустороннюю передачу такого сигнала между устройствами промышленной сети всего по двум проводам? RS-485 – полудуплексный интерфейс, где прием и передача разделены по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема.

На рисунке ниже приведена схема подключения к промышленной сети на основе RS-485 трех устройств. Каждое из них имеет передатчик D (driver) и приемник R (receiver). Здесь на DI подается сигнал, передаваемый передатчиком D, а с RO снимается сигнал, принимаемый приемником R. Для синхронизации их работы служат управляющие входы: разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Поскольку вход RE является инверсным, его соединяют с DE и переключают приемник и передатчик одним сигналом: низкий уровень напряжения – работа на прием, высокий – на передачу.

Если передачу выполняет устройство «2», а прием – устройство «3», то выходы передатчиков «1» и «3» выключаются (переводятся в высокоомное состояние), т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники. А выходное сопротивление передатчиков устройств «1» и «3» не шунтирует линию.

Скорость передачи данных в RS-485 зависит от длины линии связи. Максимальная скорость может достигать 10 Мбит/с для линии 12 м. На линии максимальной длины 1200 м скорость передачи не будет превышать 100 кбит/с. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м, применяют специальные повторители.

Осталось обсудить вопрос согласования в линиях связи промышленной сети. При высоких скоростях передачи и больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, начинают проявляться эффекты, связанные с конечной скоростью распространения электромагнитных волн в проводниках и отражением электрического сигнала от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Если длина линии достаточно большая, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить следующий передаваемый сигнал. В таких случаях нужно подавлять эффект отражения.

Линия связи характеризуется волновым сопротивление. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от его длины. Для обычно применяемых витых пар волновое сопротивление составляет 120 Ом. Если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до конца линии, поглощается на таком резисторе, называемом согласующим резистором или терминатором.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи. В оба наиболее удаленных конца линии включают терминаторы R_c с сопротивлением 120 Ом (см. рисунок). Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

Помимо установки терминаторов для эффективной работы промышленной сети на основе RS-485 требуется еще несколько резисторов. При отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень, напряжение между линиями A и B по абсолютной величине может становиться меньше порогового (200 мВ). В результате на приемнике RO из-за несинфазной помехи могут формироваться произвольные логические уровни. Чтобы избежать передачи ошибочных сигналов, необходимо гарантировать разность потенциалов между линиями А и В более +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на приемнике логическую единицу, и поддерживает уровень стопового бита.

Для создания такого смещения используют два дополнительных резистора смещения (см. рисунок). Через резистор R_см1 линия А подключается к источнику питания, а через резистор R_см2 линия В соединяется с «землей». Формируется резистивный делитель, сопротивления R_см1 и R_см2 должны подбираться так, чтобы возникающий ток обеспечивал перепад напряжения + 200 мВ на соединенных параллельно резисторах: два согласующих R_с с номиналом 120 Ом, входные сопротивления приемников R_вх всех устройств сети (обычно по 12 кОм).

Очевидно, номиналы R_см1 и R_см2 зависят от количества устройств в сети и величины питающего напряжения. Рассмотрим два крайних примера: в сети нет устройств, установлены только терминаторы и в сети установлены 127 устройств. Величина питающего напряжения составляет 5 В. В первом случае получаем 3 последовательно соединенных между собой сопротивления: Rсм1, сопротивление сети, состоящей из соединенных параллельно двух сопротивлений R_с (составляет 120 Ом / 2 = 60 Ом), R_см2. Величина тока в такой цепи составляет 5 В / (R_см1 + R_см2 + 60 Ом). И нам требуется, чтобы перепад напряжения между линиями А и В составлял 200 мВ: 5 В / (R_см1 + R_см2 + 60 Ом) * 60 Ом = 200 мВ. Решая это уравнение относительно Rсм1 + Rсм2 получаем, что суммарное сопротивление резисторов смещения должно составлять 1440 Ом или менее.

Второй случай несколько сложнее, поскольку сеть представляет собой параллельное соединение двух сопротивлений R_с и 127 сопротивлений R_вх. Как известно, обратное значение сопротивления такой цепи равно: 2/(120 Ом) + 127/(12 кОм). Вычисления дают значения сопротивления такой цепи порядка 37 Ом. Величина тока определяется выражением 5 В / (R_см1 + R_см2 + 37 Ом), а перепад напряжения между линиями А и В составляет: 200 мВ = 5 В / (R_см1 + R_см2 + 37 Ом). В итоге получаем, что суммарное значение R_см1 + R_см2 должно составлять порядка 890 Ом или менее.

Компания Bronkhorst^® рекомендует использовать следующие номиналы резисторов смещения и согласования в зависимости от напряжения питания:

Напряжение питания	Резисторы согласования R_c	Резистор смещения R_см1	Резистор смещения R_см2
+5В	121 Ом	392 Ом	392 Ом
+10В	121 Ом	1210 Ом	392 Ом
+15В	121 Ом	2210 Ом	392 Ом
+24В	121 Ом	3480 Ом	392 Ом

Для работы в сетях с питающим напряжением от +15 до +24 В компания Bronkhorst выпускает согласующие терминаторы. Begin-терминатор состоит из последовательно включенных светодиода, и трёх резисторов: R_см1, R_c (между линиями А и В), R_см2. Begin-терминатор устанавливается в начале сети. End-терминатор состоит из одного резистора R_c и устанавливается в конце сети. Схема подключения приведена на схеме ниже.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса. Способы кодирования и передачи данных, типы соединителей и кабелей определяются используемым протоколом передачи (FLOWBUS, Modbus, Profibus DP и т.д.).

Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации систем стандарта RS-485

Большинство оборудования нашего производства, имеет возможность объединения в сеть для удаленного архивирования и диспетчеризации. И все больше пользователей запрашивают такую возможность в составе оборудования «ТУЛА-ТЕРМ». На многих предприятиях, на которых стоит наше оборудование количество устройств увеличивается и в настоящий момент, сервисные службы потребителей столкнулись с проблемами при приеме и передаче данных по сети RS-485, Анализ показал наличие проблем в организации сети. В статье даются рекомендации по прокладке линий связи и решению наиболее частых проблем.

Цель настоящей статьи — предоставить базовые рекомендации по выбору схемы соединений для сетей на основе RS-485. Спецификация RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) не дает конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществляться разводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Эти рекомендации и инженерная практика в области обработки сигналов низких частот положены в основу этой статьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всего разнообразия возможных вариантов построения сетей.

RS-485 передает цифровую информацию между многими объектами. Скорость передачи данных может достигать 115 Кбит/с. RS-485 предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метров хорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов при разработке схемы межсоединений системы.

Кабель

RS-485 спроектирован как балансная система. Проще говоря, это означает, что, помимо земляного, имеется два провода, которые используются для передачи сигнала.

Рис. 1. Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных.

Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе является идеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, если один провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. См. Рис. 2.

Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.

Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием различных типов передающей среды, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой «витая пара».

Что такое витая пара и почему она используется?

Как следует из ее названия, витая пара — это просто пара проводов, которые имеют равную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиям спецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источника проблем для разработчиков быстродействующих территориально распределенных сетей, а именно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи (наводка).

Излучаемые электромагнитные помехи

Как показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используются импульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие.

Рис. 3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и ее БПФ.

Полученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе с длинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI). Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этот эффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простом принципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждого провода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными. Это создает эффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствие электромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеют точно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможно одновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должны быть близко друг к другу насколько возможно. Скручивание проводов помогает нейтрализовать любое остаточное электромагнитное излучение из-за конечного расстояния между двумя проводами.

Индуцируемые электромагнитные помехи

Индуцируемые электромагнитные помехи — в основном та же самая проблема, что и излучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, также действуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательные сигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращать излучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимых электромагнитных помех. Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум, наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенный на втором проводе. Этот тип шума называют «синфазным шумом». Поскольку приемники RS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностью друг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов.

Волновое сопротивление витой пары

В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим «волновым сопротивлением (характеристическим импедансом)», которое обычно определяется ее производителем. Спецификация RS-485 рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом. Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки и диапазонов синфазных напряжений, определенных в спецификации RS-485. По всей видимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по каким-либо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобы наихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приемников) и наихудшие диапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, что проектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специально посвященный таким вычислениям.

Число витых пар на каждый передатчик

Теперь, когда мы понимаем, какой нужен тип кабеля, возникает вопрос о том, каким количеством витых пар может управлять передатчик. Ответ короткий — точно одной. Хотя передатчик и может при некоторых обстоятельствах управлять более чем одной витой парой, это не предусмотрено спецификацией.

Согласующие резисторы

При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределённые индуктивные и ёмкостные свойства кабеля. Как следствие, сигнал, переданный в линию одним из узлов, начинает искажаться по мере распространения в линии, возникают сложные резонансные явления. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые распределенные параметры погонной ёмкости и индуктивности, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, резонансные явления значительно ослабляются.

Называется такой резистор «согласующим резистором» или «терминатором». Для сетей RS485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными).

Согласующий резистор — это просто резистор, который установлен на крайнем конце или концах кабеля (Рис. 4). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля.

Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.

Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Это описывается уравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo — сопротивление кабеля, а Rt — номинал согласующего резистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражение неизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5.

Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с RS485, нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором. Сигнал справа был получен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора.

Помня об этом, важно обеспечить максимально-возможную близость значений сопротивления согласующего резистора и волнового сопротивления. Место установки согласующего резистора так-же очень важно. Согласующие резисторы должны всегда размещаться на дальних концах кабеля.

Максимальное число передатчиков и приемников в сети

Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одного приемника. Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость, разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимый максимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему.

В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая «единичная нагрузка (unit load)». Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера — MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) — 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487.

Если говорить о контроллерах Segnetics, то они являются единичной нагрузкой для сети. Т.е. допустимое количество контроллеров в сети равно 32.

Примеры правильных сетей

Вооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторые сети на основе RS-485. Вот несколько простых примеров.

Два приемопередатчика

На рисунке 6 представлена сеть с двумя приемопередатчиками.

Рис. 6. Сеть RS-485 с двумя приемопередатчиками.

Несколько приемопередатчиков

На рисунке 7 представлена сеть с несколькими приемопередатчиками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче. В контроллерах Segnetics это расстояние минимально и измеряется миллиметрами.

Рис. 7. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками.

Примеры неправильных сетей

Ниже представлены примеры неправильно сконфигурированных систем. В каждом примере сравнивается форма сигнала, полученного от некорректно разработанной сети, с формой сигнала, полученного от должным образом разработанной системы. Форма сигнала измерялась дифференциально в точках A и B (A-B).

Несогласованная сеть

В этом примере, на концах витой пары отсутствуют согласующие резисторы. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с открытой цепью на конце кабеля. Это приводит к рассогласованию импедансов, вызывая отражение. В случае открытой цепи (как показано ниже), вся энергия отражается назад к источнику, вызывая сильное искажение формы сигнала.

Рис. 8. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).

Неправильное расположение терминатора

На рисунке 9 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям.

Рис. 9. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).

Составные кабели

На рисунке 10 имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала.

Рис. 10. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар.

Длинные ответвители

На рисунке 11, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель — stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.

Рис. 11. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением.

Защита устройств от перенапряжений в линии связи.

Разность потенциалов между проводниками линии и между линией и «землей» приемопередатчика, как правило, не должна выходить за пределы -7…+12 В. Следовательно, может потребоваться защита от разности потенциалов между «землями» и от перенапряжений из-за замыкания на высоковольтные цепи.

Разность потенциалов между «землями».

При организации сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать неявное присутствие третьего проводника — «земли». Ведь все приемопередатчики имеют питание и «землю». Если устройства расположены недалеко от начального источника питания, то разность потенциалов между «землями» устройств в сети невелика. Но если устройства находятся далеко друг от друга и получают местное питание, то между их «землями» может оказаться существенная разность потенциалов. Возможные последствия — выход из строя приемопередатчика, а то и всего устройства. В таких случаях следует применять гальваническую развязку или дренажный провод.

Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется опторазвязкой цифровых сигналов с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков. Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной «земли» (сигнальной «земли»). Для того, чтобы снять ненужный наведённый потенциал с сигнальной «земли», рекомендуется объединить её с «землёй» питания или специальной клеммой «нулевого потенциала» (GND) каждого устройства через какое-нибудь большое сопротивление (от сотен килоом до единиц мегаом). Если использовать меньшее сопротивление, можно свести на нет все преимущества опторазвязанной линии связи.

Рис. 12а. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя провод изолированной «земли».

Дренажный провод — провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий «земли» удаленных устройств, не имеющих гальванической развязки приёмопередатчиков. Через этот провод уравниваются потенциалы «земель» таких устройств. При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении — отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод, его заземляют через резистор в 100 Ом мощностью 0.5 Ватт.

Рис. 12б. Выравнивание потенциалов в сети RS-485, используя отдельный «дренажный» провод.

Замыкание на высоковольтные цепи.

Если существует опасность попадания на линию или одну из местных «земель» высокого напряжения, применяют опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.

По состоянию на весну 2009 года, в контроллерах Segnetics опторазвязка присутствует только у контроллера SMh3010, оснащённого дополнительным портом RS485 (модификации SMh3010C-ххх2). Основные порты RS485 контроллеров Pixel и SMh3010 не имеют опторазвязки. Однако, любой тип портов на контроллерах имеет встроенные шунтирующие ограничители напряжения.

Напряжение пробоя опторазвязанного интерфейса составляет сотни и даже тысячи вольт. Это хорошо защищает устройство от перенапряжения, общего для всех проводников линии. Однако, при дифференциальных перенапряжениях, когда высокий потенциал оказывается на одном из проводников, сам приемопередатчик будет поврежден.

Для защиты от перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные «земли» при помощи ограничителей напряжения. Это полупроводниковые ограничители напряжения. При наличии в линии напряжения выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию.

Защита ограничителями напряжения действенна при кратковременных перенапряжениях. При длительных — токи короткого замыкания могут вывести ограничители из строя, и устройства на линии окажутся без защиты.

Если кабель подключен к контроллеру через плавкие предохранители, как показано на рисунке 13, то предохранители сгорают раньше, чем порт или его защита успевают получить какие-либо повреждения.

Рис. 13. Защита контроллера от перенапряжений в сети, используя предохранители.

Дополнительные меры защиты от помех.

Диагностика. Если есть возможность выбора маршрута прокладки кабеля с замером уровня помех — не стоит ей пренебрегать. Даже если программная коррекция ошибок успешно справляется со сбоями, нужно сделать все, чтобы физически снизить уровень помех в линии. Полезно предусмотреть в программе диагностический режим, в котором накапливалась бы статистика сбоев, отрабатываемых программной коррекцией (провал по контрольной сумме или тайм-ауту, рисунок 14). Если сбоев слишком много, желательно поработать над поиском и устранением их причины. Снижение скорости связи (бодрейта) во многих случаях повышает помехоустойчивость. Не имеет смысла устанавливать скорость обмена больше, чем необходимо для нормальной работы системы, если только не требуется запас на модификацию.

Рис. 14. Блок диагностики сети, наглядно отражающий типы происходящих ошибок.

Прокладка кабеля. По возможности не следует проводить витую пару вдоль силовых кабелей, тем более в общей оплетке, так как существует опасность наводок от силовых токов через взаимную индуктивность. Силовое оборудование, коммутирующее большие токи, также является источником помех. Некачественная витая пара с асимметричными характеристиками проводников — еще один источник проблем. Чем меньше шаг витой пары (чаще перевиты провода) — тем лучше. Даже если не применяется опторазвязанная линия или дренаж, стоит сразу провести кабель с запасной витой парой — на случай, если произойдет обрыв первой или все же понадобится провести сигнальную землю. Также не рекомендуется проводить несколько линий связи в одном кабеле. Таким примером являются кабели типа STP-5 и UTP5, имеющие несколько витых пар внутри одного кабеля. В этом случае нужно использовать ровно столько кабелей, сколько линий связи вы хотите использовать. Кабели лучше использовать экранированные, это улучшит помехозащищённость линий связи друг от друга.

Экранирование и заземление. В промышленных условиях, тяжелых в плане электромагнитного шума, рекомендуется применять экранированный кабель с витой парой. Экран, охватывающий проводники линии, защищает их от паразитных емкостных связей и внешних магнитных полей. Экран следует заземлять только в одной из крайних точек линии. Заземление в нескольких точках недопустимо: из-за разности потенциалов местных «земель» по экрану могут протекать существенные токи, которые будут создавать наводки на сигнальные проводники. Для защиты от радиопомех рекомендуется дополнительно включать в нескольких местах между экраном и заземлением специальные высокочастотные конденсаторы емкостью 1…10 нФ.

Индуктивные фильтры. Если в линию все же попадают высокочастотные помехи, их можно отсеять индуктивными фильтрами. Существуют специальные индуктивные фильтры, предназначенные для подавления высокочастотных помех в линиях связи. Они последовательно включаются в линию непосредственно у приемников. Например, B82790-S**** фирмы Epcos, выполненный в виде четырехполюсника, через который витая пара подсоединяется к приемнику (Рисунок 15).

Рис. 15. Защита контроллера от высокочастотных помех в сети, используя индуктивные фильтры.

Полезные ссылки:

1. «RS-422 and RS-485 Application Note»

B&B Electronics Mfg. Co. Inc (Rev. 1997)

2. «Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты RS-422/RS-485»

Александр Локотков. Журнал»СТА» 3/97.

3. «Правильная разводка сетейRS-485»

Maxim’s Application Note 763 (январь 2001 года), пер. И.Н. Бирюков.

4. «Обрежьте жирок сRS-485»

Maxim’s Application Note 386 (A184, март 2001 года), пер. И.Н. Бирюков.

Подготовлено

отделом автоматизации

ООО «ТУЛА-ТЕРМ»

Когда необходимо согласование в RS-485 и как это сделать правильно

Многие проблемы с полнотой сигнала и качеством связи в сетях RS-485 происходят из-за прерываний, либо из-за отсутствия
прерываний, или же из-за неправильных прерываний. Многие проблемы с полнотой сигнала и качеством связи с сетями RS-485 происходят из-за прерывания, либо из-за отсутствия прерывания, или же из-за неправильного прерывания. В данной статье об основах RS-485 мы поговорим о том, когда вы можете прекратить передачу данных, не прерывая сеть RS-485, и, если вам нужно согласование, как использовать стандартные (параллельные) выводы и прерывания переменного тока (AC).

Драйвер приемопередатчика RS-485 должен иметь возможность подавать 1,5 В на 32 приемника/передатчика, где сопротивление согласующих резисторов должно быть 120 Ом. Значение 120 Ом для согласующих резисторов происходит от так называемого характеристического сопротивления дифференциального режима проводов шины витой пары. Проще говоря, сечение провода, тип и толщина изоляции, а также количество витков на единицу длины способствуют сопротивлению, которое высокоскоростные сигналы данных «видят». Это сопротивление обозначается в омах и обычно составляет от 100 Ом до 150 Ом для витых пар. Авторы стандарта RS-485 выбрали 120 Ом в качестве номинального характеристического сопротивления; поэтому, чтобы соответствовать этому сопротивлению, согласующие резисторы также имеют значение по умолчанию 120 Ом.

Почему существует прерывание сигнала?

Сопоставление характеристического сопротивления кабеля с оконечной сетью позволяет приемнику на конце шины видеть максимальную мощность сигнала. Оставляя линию передачи без конечного подключения (штекер не подключен к приемнику сигнала) или подключенную но с некоторым значением, не равным сопротивлению кабеля, вы вносите несоответствие, которое создает отражения на концах сети. Отражение — это когда часть энергии сигнала буквально возвращается обратно вверх по линии, которая затем может конструктивно или деструктивно мешать следующим битам, передающимся по шине. Разрушительным примером является то, что отраженный сигнал, который отражается назад, не совпадает по фазе с входящим сигналом, в результате чего приемник видит меньший входящий сигнал. Если несоответствие достаточно велико, отраженная энергия может привести к неправильному толкованию и неправильному декодированию последующих битов приемником.

Уравнение ниже показывает, что для того, чтобы коэффициент отражения приблизился к нулю, входной импеданс Z_L должен соответствовать исходному импедансу Z_S. Если есть большое расхождение в нагрузке и импедансе источника, может отражаться почти весь сигнал.

Коэффициент отражения для интерфейса RS-485

Как видите, для оптимальной целостности сигнала всегда лучше всего согласовывать сопротивление линии переменного тока с терминатором равного значения. Почему бы не всем разработчикам это сделать? Потому что добавление терминаторов (согласующих резисторов) увеличивает стоимость всей системы, к тому же согласующие резисторы также добавляют параллельную нагрузку на драйверы, вызывая большие токи нагрузки в стационарном режиме. В чувствительных к энергопотреблению приложениях, где снижение энергопотребления имеет решающее значение (например, в приложениях с питанием от батареи), один из вариантов экономии энергии — оставить шину без подключения. Давайте обсудим, когда удаление оконечной нагрузки является жизнеспособным вариантом.

Сети, которые не нуждаются в оконечной нагрузке

Одна ситуация, в которой вам не нужны согласующие резисторы, — это когда время двусторонней петли в сети намного больше, чем время передачи одного бита (~ <0,1 × задержка двусторонней петли). В таких случаях отражения будут терять энергию каждый раз, когда они достигают конца сети.

Как видно из рисунка ниже, амплитуда отражений будет продолжать уменьшаться каждый раз, когда сигнал отражается на конце кабеля. На рисунке ниже показаны три сигнала в обоих направлениях и шесть отражений.

Амплитуда отражающегося сигнала уменьшается с каждым отражением RS-485

Предполагая, что неподключенный конец шины имеет входной импеданс 96 кОм (нагрузка на одну восьмую единицу), а импеданс источника драйвера составляет 60 Ом, отражения сигнала будут уменьшаться в соответствии с расчетами, приведенными в таблице ниже.

Как видно из таблицы, к тому времени, когда сигнал отражается в шестой раз, он ослабевает до уровня ниже 4% от его первоначальной величины. После этого можно с уверенностью сказать, что отражения больше не способны вызывать проблемы с целостностью сигнала. Поскольку точка выборки бита обычно находится между 50-75% пути через бит, вы должны убедиться, что эти три задержки в обоих направлениях происходят до точки выборки.

Сети, которые требуют согласующего резистора (терминатора)

В тех случаях, когда время в битах не намного больше времени цикла в кабеле, согласование имеет решающее значение для минимизации отражений. Наиболее простое оконечное оборудование, известное как стандартные оконечные или параллельные согласующие резисторы, состоящие из одного резистора (рисунок ниже).

Для стандартного терминатора вы должны согласовать значение согласующего резистора с характеристическим сопротивлением дифференциального режима кабеля на обоих концах сети. Это обеспечивает корректную доставку сигналов, идущих в обоих направлениях по шине. Как упоминалось ранее, основным недостатком схемы терминации этого типа является то, что всякий раз, когда драйвер активен, резисторы создают постоянную нагрузку на драйвер.

Использование терминаторов переменного тока помогает уменьшить рассеяние мощности, не требуя столь же длительного времени на бит по отношению к длине шины. На рисунке ниже показана схема согласования переменного тока.

Поскольку ток обычно протекает в одну сторону драйвера RS-485 через согласующий контур, а затем в обратную сторону драйвера, устанавливают последовательный конденсатор, чтобы ток установившегося состояния стремится к нулю. Две особенности этого типа согласования состоят в том, что для каждой согласующей сети требуется один дополнительный компонент, а последовательно соединенные резистор и конденсатор вводят дополнительную задержку, свойственную RC цепи. Постоянная времени RC цепи будет замедлять нарастание и спад дифференциального сигнала и ограничивать максимальную скорость передачи данных в сети.

В таблице ниже подведены итоги трех сценариев согласования сигнала для RS-485:

Для обеспечения оптимального значения сигнала всегда лучше всего согласовать характеристическое сопротивление кабеля в дифференциальном режиме с равным сопротивлением. Но если вы предпримете надлежащие шаги, также возможно успешно реализовать AC согласование или вообще избежать прерывания.

Правильная разводка сетей RS-485

Цель настоящей статьи — предоставить базовые рекомендации по выбору схемы соединений для сетей на основе RS-485. Спецификация RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) не даёт конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществляться разводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Эти рекомендации и инженерная практика в области обработки звука положены в основу этой статьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всего разнообразия возможных вариантов построения сетей.

RS-485 передаёт цифровую информацию между многими объектами. Скорость передачи данных может достигать 10 Мбит/с, а иногда и превышать эту величину. RS-485 предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метров хорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов при разработке схемы межсоединений системы.

Кабель

Рис. 1. Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных

Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны

Что такое витая пара и почему она используется?

Как следует из её названия, витая пара — это просто пара проводов, которые имеют равную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиям спецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источника проблем для разработчиков быстродействующих территориально распределённых сетей, а именно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи (наводка).

Излучаемые электромагнитные помехи

Как показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используются импульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие. Эти крутые фронты нужны при более высоких скоростях, чем способен обеспечить RS-485.

Рис. 3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и её БПФ

Полученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе с длинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI). Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этот эффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простом принципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждого провода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными. Это создает эффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствие электромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеют точно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможно одновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должны быть близко друг к другу насколько возможно. Скручивание проводов помогает нейтрализовать любое остаточное электро-магнитное излучение из-за конечного расстояния между двумя проводами.

Индуцируемые электромагнитные помехи

Индуцируемые электромагнитные помехи — в основном та же самая проблема, что и излучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, также действуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательные сигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращать излучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимых электромагнитных помех. Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум, наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенный на втором проводе. Этот тип шума называют «синфазным шумом». Поскольку приёмники RS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностью друг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов.

Волновое сопротивление витой пары

В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим «волновым сопротивлением (характеристическим импедансом)», которое обычно определяется её производителем. Спецификация RS-485 рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом. Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки и диапазонов синфазных напряжений, определённых в спецификации RS-485. По всей видимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по каким-либо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобы наихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приёмников) и наихудшие диапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, что проектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специально посвящённый таким вычислениям.

Число витых пар на каждый передатчик

Согласующие резисторы

Поскольку затронуты высокие частоты и большие расстояния, должное внимание должно быть уделено эффектам, возникающим в линиях связи. Однако, детальное обсуждение этих эффектов и корректных методов согласования далеко выходит за рамки настоящей статьи. Помня об этом, техника согласования будет кратко рассмотрена в своей простейшей форме, постольку, поскольку она имеет отношение к RS-485.

Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля

Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдёт отражение, т. е. сигнал вернется по кабелю обратно. Это описывается уравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo — сопротивление кабеля, а Rt — номинал согласующего резистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражение неизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5.

Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с MAX3485, нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором. Сигнал справа был получен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора

Как общее правило, согласующие резисторы должны быть помещены на обоих дальних концах кабеля. Хотя правильное согласование обоих концов абсолютно критично для большинства системных дизайнов, можно утверждать, что в одном специальном случае необходим только один согласующий резистор. Этот случай имеет место в системе, в которой имеется единственный передатчик, и этот единственный передатчик расположен на дальнем конце кабеля. В этом случае нет необходимости размещать согласующий резистор на конце кабеля с передатчиком, поскольку сигнал всегда распространяется от этого передатчика.

Максимальное число передатчиков и приёмников в сети

Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одного приёмника. Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость, разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимый максимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему.

В идеальном мире, все приёмники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приёмник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая «единичная нагрузка (unit load)». Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера — MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) — 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487.

Примеры правильных сетей

Один передатчик, один приёмник

Простейшая сеть — это один передатчик и один приёмник (Рисунок 6). В этом примере, согласующий резистор показан на кабеле на стороне передатчика. Хотя здесь это необязательно, вероятно хорошей привычкой было бы проектировать сети с обоими согласующими резисторами. Это позволят перемещать передатчик в места, отличные от дальнего конца кабеля, а также позволяет, если в этом возникнет необходимость, добавить в сеть дополнительные передатчики.

Рис. 6. Сеть RS-485 с одним передатчиком и одним приёмником

Один передатчик, несколько приёмников

На рисунке 7 представлена сеть с одним передатчиком и несколькими приёмниками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приёмников были как можно короче.

Рис. 7. Сеть RS-485 с одним передатчиком и несколькими приёмниками

Два приёмопередатчика

На рисунке 8 представлена сеть с двумя приёмопередатчиками.

Рис. 8. Сеть RS-485 с двумя приёмопередатчиками

Несколько приёмопередатчиков

На рисунке 8 представлена сеть с несколькими приёмопередатчиками. Как и в примере с одним передатчиком и несколькими приёмниками, важно, чтобы расстояния от витой пары до приёмников были как можно короче.

Рис. 9. Сеть RS-485 с несколькими приёмопередатчиками

Примеры неправильных сетей

Несогласованная сеть

Рис. 10. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и её итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)

Неправильное расположение терминатора

На рисунке 11 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть ещё кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведёт к дополнительным отражениям.

Рис. 11. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и её итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)

Составные кабели

На рисунке 12 имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала.

Рис. 12. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар

Длинные ответвители

На рисунке 13, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель — stub) приёмника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.

Рис. 13. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и её итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением.

Как проверить RS-232, RS-422, RS-485? На примере UPort

UPort – это преобразователь USB в RS-232/422/485 производства MOXA, который добавляет СОМ порты на ПК.

Структурная схема подключения UPort 1150 выглядит так:

Для работы с UPort 1150 необходимо установить драйвер (Driver for UPort 1000 Series).

После установки драйвера в диспетчере устройств мы увидим новый СОМ порт.

В разделе Многопортовые последовательные адаптеры, мы можем настроить СОМ порт, а именно выбрать номер СОМ порта и тип интерфейса.

Для работы с СОМ портом нужна программа, которая позволит открыть СОМ порт и отправить в него данные. MOXA предлагает воспользоваться бесплатной утилитой PComm Lite.

Как проверить RS-232 интерфейс?

Для проверки RS-232 можно воспользоваться простым способом: достаточно замкнуть контакты RX и TX между собой. Тогда все переданные данные будут приняты обратно.

Если у вас полный RS-232 или нужно использовать аппаратный контроль за передачей данных, тогда вам нужно распаять специальную заглушку. В ней должны быть соединены между собой следующие контакты:

После этого мы можем открыть СОМ порт через программу и отправить туда любые данные. Отправленные данные должны вернуться обратно в этот же порт.

На примере PComm Lite это будет выглядеть так.

Убедитесь, что UPort настроен на RS-232.

Откройте программу PComm Terminal Emulator, во вкладке Port Manager откройте СОМ порт, соответствующий UPort. Скорость и другие параметры можно оставить по умолчанию.

Однако, если вы подключаете внешнее устройство к СОМ порту, эти параметры должны совпадать с параметрами внешнего устройства.

Мы отправили несколько единиц в СОМ порт и получили их обратно, также видим одинаковые значения счетчиков TX и RX, что подтверждает получение всех отправленных данных.

Если вы хотите отображать текст, который печатаете, то вам нужно включить функцию Local echo на вкладке Terminal при открытии порта. Важно: после включения функции Local echo, если вы замкнули TX и RX, то текст в терминале удвоится, потому что будет отображен вводимый символ и тот, который получен обратно.

Схема подключения внешнего устройства с RS-232:

Прямой кабель DTE-DCE (компьютер-модем)

Нуль-модемный кабель DCE-DCE (модем-модем)

Нуль-модемный кабель DTE-DTE (компьютер-компьютер)

Как проверить RS-422 интерфейс?

Для проверки RS-422 можно также воспользоваться простым способом: достаточно замкнуть контакты TD+ на RD+ и TD- на RD-. Тогда все переданные данные будут приняты обратно.

Убедитесь, что UPort настроен на RS-422.

В терминале видны данные, которые мы отправили в СОМ порт.

Схема подключения внешнего устройства с RS-422:

Как проверить RS-485 интерфейс?

Интерфейс RS-485 может быть реализован на 2 или 4 контактах.

Для варианта RS-485 с 4 контактами проверка сводится к тем же действиям что и в RS-422 с таким же подключением контактов TD+ на RD+ и TD- на RD.

Для варианта RS-485 с 2 контактами нужно использовать внешнее устройство для проверки работы. Это может быть второй порт UPort или заведомо исправное устройство с RS-485.

Убедитесь, что UPort настроен на RS-485 и правильно указано количество контактов.

Схема подключения внешнего устройства с RS-485:

Подтягивающие и согласующие резисторы

В некоторых моделях UPort есть встроенные резисторы, которые обеспечивают правильную работу линий RS-422/485.

Согласующий резистор или терминатор 120 Ом – ставится в начале и конце линии для предотвращения отражения сигнала от конца линии и искажения полезного сигнала в RS-422/485.

При большой длине линии связи (более 100 метров) возникают эффекты длинных линий, которые связаны с индуктивностью и ёмкостью кабеля. Получается, что сигнал, переданный в линию с одной стороны, начинает искажаться по мере распространения в другую сторону. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковые параметры погонной ёмкости и индуктивности, это свойство кабеля характеризуют волновым сопротивлением. Поэтому, если на приёмном конце кабеля использовать резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, то негативные резонансные явления значительно ослабляются.

Подтягивающие резисторы (pull high/low resistors) – предназначены для ограничения тока, протекающего по сигнальным цепям, и чтобы сделать состояние цифрового входа по умолчанию высоким или низким.

Цифровой вход нельзя напрямую подключить к питанию без ограничения тока, а также нельзя оставлять вход без подключения к чему либо, т.к. возможны ложные изменения состояния входа из-за внешних наводок.

Цепь с подтягивающим резистором можно представить в виде делителя напряжения из двух резисторов — одного подтягивающего и другого на месте кнопки.

Логический вход имеет ёмкость относительно земли, что влияет на время нарастания или спада сигнала при размыкании кнопки. Время спада или нарастания — это время между размыканием кнопки и достижением сигнала порогового напряжения, при достижении которого логическим входом фиксируется изменение логического состояния с высокого «1» на низкий «0» или наоборот.

Время спада и нарастания — зависит от произведения сопротивления, ёмкости и коэффициента, который учитывает пороговое напряжение. При подключении различных устройств значение ёмкости изменяется, это ведет к изменению формы сигнала, что может негативно сказаться на правильном определении уровня сигнала.

Поэтому иногда требуется подстройка значений подтягивающих резисторов, для восстановления формы сигнала. Ниже пример того, как может выглядеть сигнал при разном значении подтягивающего резистора:

Обычно значения подтягивающих резисторов по умолчанию оптимальны, но если форма сигнала сильно искажена или данные передаются с ошибками, то вам следует изменить значения подтягивающих резисторов.

Ниже показан пример расположения переключателей для изменения значений подтягивающих резисторов.

Распиновка разъема UPort 1150

Распиновка переходника UPort 1150 с DB9 на клеммную колодку.