Обмен данными через интерфейс RS485
Если измерительные приборы необ
ходимо соединить друг с другом с минимальными затратами, рекомендуется, как и прежде, использовать RS485- интерфейс с протоколом Modbus-RTU. Комбинация RS485-интерфейса с протоколом Modbus-RTU уже многие годы успешно используется благодаря простой топологии, невосприимчивости к электромагнитным помехам и открытому протоколу. Полное название стандарта RS485– TIA / EIA- 485-A. Последняя версия вышла в марте 1998 года, а в 2003 году стандарт был подтвержден без внесения изменений. Стандарт определяет только электрические параметры интерфейсов передатчиков и приемников, но не содержит предписаний относительно топологии или подлежащих использованию кабелей. Эту информацию можно получить либо в TSB89 “Руководстве по применению для TIA / EIA-485-A”, либо в руководствах изготовителей модулей драйверов RS485 таких, как Texas Instruments или Maxim. Согласно модели OSI (Эталонная модель взаимодействия открытых систем)* описывается только “физический слой”, а не протокол. Можно выбрать любой протокол, например, Modbus RTU, Profibus, BACnet и т.д. Обмен данными между передатчиком и приемником осуществляется по экранированному витому кабелю, т.е. по кабелю типа “витая пара”. При Рис.: Изображение 1 этом для A и B можно использовать только одну пару (рис.: Изображение 1b). Если интерфейс не изолирован гальванически, необходимо стандартное подключение (рис.: Изображение 1b). Об этом будет рассказано далее.
Передача данных осуществляется путем дифференциального перепада напряжения между кабелями [A] и [B]. Поскольку обмен данными между приемником и передатчиком осуществляется по кабелям, говорят также о полудуплексном режиме работы. Каждый приемник или передатчик имеет инверсный и прямой разъем. Передача данных осуществляется симметрично. Это значит, что по одной линии передается “высокий” сигнал, а по другой - “низкий”. Таким образом, линия А дополняет линию B и наоборот. Преимущество измерения разницы напряжения между А и В заключается в отсутствии влияния синфазных помех. Возможные синфазные помехи действуют приблизительно одинаково на оба провода для передачи сигнала и не влияют на передающиеся данные благодаря тому, что измеряется дифференциал. Отправитель (ведущее устройство) создает дифференциальное исходное напряжение не менее 1,5 В на нагрузке 54 Ом. Получатель имеет чувствительность +/-200 мВ (
При этом действует следующая логическая связь (рис. Изображение 3):
A–B < 0,25 В = Логическая 1A–B > 0.25 В = Логическая 0
Обозначение точек подключения A / B не унифицировано. То, что один изготовитель может называть разъем A, другой может называть – B. Почему так происходит?
По определению:
A = “-” = T x D- / R x D - = инвертированный сигналB = “+” = T x D + / R x D + = неинвертированный сигнал
* Эталонная модель взаимодействия открытых систем гласит (OSI): Ведущее устройство = отправитель; Ресивер = получатель; Трансивер = отправитель / получатель
Некоторые изготовители RS485-плат, такие как Texas Instruments, Maxim, Analog Devices и другие, использовали с самого начала другое обозначение, которое за это время также стало общепринятым:
А = “+” = T x D + / R x D + = неинвертированный сигнал
В = “+” = T x D - / R x D - = инвертированный сигнал
В связи с этой путаницей некоторые изготовители ввели собственные обозначения:
D+ = “+” = T x D + / R x D + = неинвертированный сигнал
D- = “-” = T x D - / R x D - = инвертированный сигнал
Благодаря знаку [+] и [-], стоящему после буквы [D] сразу видно, какой провод передает инвертированный сигнал, а какой – неинвертированный.
Janitza electronics GmbH
использует преимущественно трансиверы IC производства Texas Instruments, Analog Devices или Maxim. Поэтому во всех измерительных устройствах нашего производства применяются следующие обозначения:А = “+” = T x D + / R x D + = неинвертированный сигнал
В = “+” = T x D - / R x D - = инвертированный сигнал
Напряжение определяется в технических паспортах следующим образом:
Напряжение VCM
Напряжение VCM (Синфазное напряжение) – это сумма разностей
нулевых потенциалов участников RS485 (рис.: Изображение 5), пускового напряжения смещения и напряжения синфазных помех (Vnoise), действующего на проводе шины. Производители драйверов RS485 предоставляют диапазон напряжений для VCM от -7 до 12 В. При проблемах с соединением этот диапазон напряжения
часто нарушается в связи с разницей потенциалов между передатчиком и приемником, если интерфейс не изолирован гальванически или если отсутствует провод базового заземления. На рис. 6 приведена
VGPD (Разность нулевых потенциалов)
VGPD в этом случае равно разности потенциалов между передатчиком и приемником GND (PE). Разность потенциалов между точками подключения (заземление) часто возникает при большой протяженности шины RS485. Разность потенциалов возникает в старых электрических системах, т. к. в них часто отсутствуют взаимосвязанные выравнивания потенциалов. Кроме того, именно под воздействием вспышки разность потенциалов между точками подключения PE-проводников на распределительном устройстве может составлять сотни или тысячи вольт. Даже при нормальных условиях разность потенциалов может достигать нескольких вольт под действием уравнительных токов потребителей. Vnoise (напряжение синфазных помех) – это напряжение помех, возникающее по следующим причинам:
• Напряжение помех, индуцированных магнитным полем на провод шины
• Связь посредством излучения
• Электростатический разряд
Топология шины
Шина допускает возможность “многоточечной связи”, к ней можно подключить без повторителя до 32 участников. Лучшей сетевой топологией при этом является “Последовательная цепь”. Это значит, что кабель шины напрямую соединяет подчиненные устройства друг с другом.
Конечное устройство
Другой причиной сбоев в процессе передачи информации являются отражения на шине. Отражение возникает, если сигнал отправителя не полностью потребляется нагрузкой. Полное сопротивление источника должно соответствовать полному сопротивлению нагрузки и волновому сопротивлению линии, поскольку в результате этого достигается полный уровень сигнала, и возникают только минимальные отражения. Последовательная связь через интерфейс RS485 работает эффективнее всего, если полное сопротивлениеисточника согласовано с полным сопротивлением нагрузки при 120 Ом. Стандарт RS485 предписывает по этой причине использовать шину с волновым сопротивлением линии Z0 = 120 Ом. Для предотвращения отражения на шине необходимо установить в начале и конце шины нагрузочный резистор, который должен соответствовать волновому сопротивлению линии.
Резисторы “Failsafe Bias”
Если входы ресивера находятся в пределах от -200 до + 200 мВ, выход модуля получателя не определен, т.е. невозможно провести обработку RS485-сигнала.Это происходит в следующих случаях:
• Не активен ни один отправитель• Шина была прервана (например, обрыв провода)
• Короткое замыкание шины (например, повреждение провода и т.п.)
Шина RS485 должна при этом иметь определенное состояние сигнала. В некоторых шинах связи эти проблемы не возникают, поскольку в них существует только один отправитель, управляющий линией. Отправитель либо активен, либо нет. Поскольку шина RS485 допускает возможность многоточечной связи, к ней можно подключить несколько отправителей.
Для того чтобы состояние сигнала было однозначным при указанных выше условиях, как правило, используется резистор “Pull up” между +5 В и сигнальным проводом A и резистор “Pull down” между заземляющей шиной и сигнальным проводом B. Теоретически резисторы можно установить в произвольной точке шины. Однако, как правило, они используются на главном устройстве в комбинации с нагрузочным резистором, т.к. для этого предусмотрены готовые штекеры.
Некоторые изготовители дают рекомендации только относительно установки нагрузочного резистора в начале и конце линии для предотвращения отражений (см. раздел Окончание или конфигурация шины приборов UMG 604-PRO с UMG 103-CBM). Почему так происходит?
Это означает, что изготовители использовали для интерфейса RS485трансиверы со встроенным предохранительным устройством от ошибок (Failsafe Bias) на чипе, например, при 0 В на входе получателя выход автоматически получает логическое состояние “High”. При максимуме (как в UMG 604-PRO так и в UMG 103-CBM) функция называется “True fail-safe”. Внешнее предохранительное устройство от ошибок (Failsafe Bias) необходимо в этом случае только, если к одной шине подключаются участники, не обладающие этой функцией. Функция “True fail-safe” не влияет в этом случае на нагрузку на шину.
Подключение “Common” или “гальваническое разделение”
Участники шины получают напряжение питания из различных областей электросистемы. Особенно в старых электросистемах может возникать существенная разность потенциалов между заземлениями. Для бесперебойной связи напряжение Vcm должно изменяться в диапазоне от -7 до +12 В, т.е. напряжение V (разница нулевых потенциалов) должно быть максимально GPD низким (изображение 11 a, изображение 5). Если интерфейс RS485 гальванически не изолирован от напряжения питания, необходимо выполнить подключение Common (изображение 11 b). В результате подключения разъемов Common может возникнуть петля тока, т.е. без дополнительных мермежду участниками шины и заземлением протекает высокий уравнительный ток. Как правило, разработчики предотвращают это, отделяя заземляющую шину интерфейса RS485 с помощью резистора 100 Ом от заземления (изображение 11 c).
Более подходящий вариант – гальваническая изоляция интерфейса RS485 от питающего напряжения с помощью внутреннего конвертера DC/DC и изолятора сигнала. Таким образом, разница потенциалов в заземлении не влияет на сигнал. Дифференциальный сигнал при этом “плавает”. Еще лучше выполнить гальваническую изоляцию интерфейса RS485 в комбинации с подключением Common.
На изображении 12 показан смешанный режим работы между участниками с гальванически изолированным и не изолированным интерфейсом. В примере участники с гальванически изолированным RS485 не оснащены подключением Common. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы разъемы Common участников были соединены друг с другом. Тем не менее, возможно возникновение сбоев связи, вызванных конденсаторами связи EMC. В результате не изолированные гальванически участники не могут
интерпретировать сигнал. В этом случае шина должна быть изолирована, а между контурами участников должна быть обеспечена дополнительная гальваническая изоляция.
