Интерфейс RS 485, принцип действия, организация работы

RS-485 (англ. Recommended Standard 485, еще встречается написание EIA-485) – это стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. 

Это наиболее популярный интерфейс для промышленных сетей, широко используется множеством устройств в АСУ ТП. Как правило в качестве разъема для организации RS485 также используется разъем DB9 или клеммная колодка. Распайку RS-485 нужно изучать в документации к каждому конкретному устройству.

• Расстояние до 1200 метров.
• Скорость передачи данных обычно до 115200 бит/с (по стандарту до 10 Мбит/с на 15 м). 
• Тип «точка–точка» или «точка – много точек». 
• Можно подключить до 256 устройств.
• Нужен согласующий резистор.

Работа RS485 в режиме полудуплекс (используются 2  контакта)

Работа RS485 в режиме полный дуплекс (используются 4 контакта)

Устройства с RS232, RS422, RS485 в ассортименте АВЕОН:

Конвертеры интерфейсов

Конвертеры Advantech серии ADAM-4500Преобразователи ICP DAS серий I-7000, tMICP DAS серий PPDS, PDS / ПрограммируемыеПреобразователи MOXA серии A52/A53Конвертеры MOXA серии TCCКонвертеры DataforthКонвертеры RS-232C в RS-485Удлинители интерфейса DataforthУстройства защиты

Серверы последовательных интерфейсов

Ethernet в RS-232, RS-422, RS-485MOXA серии NPort IA-5000 и 5000AI / Для жестких условий эксплуатацииICP DAS / ПрограммируемыеMOXA серий MiiNePort, NE-4000 / БескорпусныеMOXA серии NPort / С беспроводным EthernetMOXA серии NPort S8400I / Со встроенным коммутаторомMOXA серии NPort 6000 и CN-2000 / Терминальные с защитой данных

Медиаконвертеры

оптоволокно»>RS-232/422/485 => оптоволокно

Мультипортовые платы

PCI Express платы RS-232/422/485PCI / Universal PCI платы RS-232/422/485ISA платы RS-232/422/485PC/104 модулиПлаты и модули CANLAN и USBFRNETGPIB, IEEE-488

Шлюзы протоколов

Modbus TPC / Modbus RTUEtherNet/IPEtherCATCANHARTProfinetProfibus DPBACnetДля энергетикиДля Интернета Вещей (IoT)

Беспроводное оборудование

Модемы GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/3GСотовые 3G-роутерыСотовые шлюзы

Модули удаленного ввода-вывода

RS-485 (DCON, Modbus)EtherNetEtherNet IPEtherCATCANProfinetProfibusWi-Fi, ZigBee, GPRS, HSDPAMotionnetFrnetBacnetUSBМодули Dataforth

Позвоните +7 (343) 381-75-75, напишите на ipcsales@aveon.ru или постучитесь в ЧАТ на сайте – и специалисты АВЕОН проконсультируют вас.

Стандарт RS-485 впервые был принят в Ассоциации электронной промышленности. Сегодня он рассматривает электрические характеристики различных приемников и передатчиков, которые используются в балансных цифровых системах.

Что собой представляет данный стандарт?

RS-485 является названием известного интерфейса, активно использующегося во всевозможных промышленных АСУТП с целью соединения определенных контроллеров и многих других устройств между собой. Основное отличие этого интерфейса от RS-232 состоит в том, что он предполагает объединение одновременно нескольких разновидностей оборудования. При использовании RS-485 гарантируется скоростной обмен данными между несколькими устройствами путем применения единственной двухпроводной линии связи в полудуплексном режиме. Он задействован в современной промышленности при создании АСУТП.

Дальность и скорость

С помощью представленного стандарта можно добиться транслирования информации на скорости до 10 Мбит/с. Стоит отметить, что при этом предельно возможная дальность непосредственно зависит от скорости транслирования данных. Стоит отметить, что для обеспечения предельной скорости информация способна передаваться не дальше 120 метров. В это же время при скорости 100 кбит/с данные транслируются более чем на 1200 метров.

Число объединяемых устройств

Количество устройств, которые способен объединять в себе интерфейс RS-485, непосредственно зависит от того, какие в них задействованы приемопередатчики. Каждый передатчик предусматривает определенное управление 32 стандартными приемниками. Правда, следует при этом знать, что существуют приемники с входным сопротивлением, которое на 50 %, 25 % или меньшей частью отличаются от стандартного. Если использовать данное оборудование, общее число устройств увеличивается соответственно.

Разъемы и протоколы

Шнур RS-485 не способен нормировать какой-либо определенный формат информационных кадров или протокол обмена. Как правило, для трансляции применяются аналогичные фреймы, используемые RS-232. Другими словами, биты данных, стоповый и стартовый биты, а также бит паритета, если это необходимо. Что касается работы протоколов обмена, в большинстве современных систем она выполняется по принципу «ведущий-ведомый». Это означает, что определенное устройство в сети выступает ведущим и инициатором обмена посылкой запросов между подчиненными устройствами, которые различаются между собой по логическим адресам. Самым известным протоколом в настоящее время является Modbus RTU. Необходимо заметить, что кабель RS-485 не обладает определенным типом соединителей или распайки. Другими словами, встречаются клеммные соединители, DB9 и прочие.

Подключение

Зачастую с использованием представленного интерфейса встречается локальная сеть, которая объединяет в себе одновременно несколько разновидностей приемопередатчиков. Выполняя подключение RS-485, необходимо грамотно объединять между собой сигнальные цепи. Как правило, они называются А и В. Таким образом, переполюсовка не представляет собой ничего страшного, просто подключенные устройства перестают работать.

Полезные рекомендации

При использовании интерфейса RS-485 необходимо учитывать определенные особенности его работы. Таким образом, рекомендации следующие:

Наиболее оптимальным решением для того, чтобы проложить интерфейс RS-485, является использование витой пары. Она отличается минимально паразитным излучением сигнала, хорошей защитой от наводок. Когда оборудование работает в условиях чрезвычайно высоких внешних помех, лучше применять кабели, обладающие экранированной витой парой. Стоит отметить, что при этом экран кабеля соединяется с защитным заземлением.

Согласование

С помощью терминальных резисторов стандартный или USB RS-485 гарантирует полноценное согласование открытого конца шнура с последующей линией. При этом целиком исключается возможность отражения сигнала. Номинальное сопротивление резисторов, сопутствующее волновому сопротивлению кабеля и проводам, основанных на витой паре, как правило, составляет около 100-120 Ом. Например, известный в настоящее время кабель UTP-5, который зачастую используется в процессе прокладки Ethernet, обладает волновым сопротивлением 100 Ом.

Что касается других вариантов кабеля, может быть применен и другой номинал. Резисторы способны запаиваться на контактах кабельных разъемов в конечных устройствах, если это необходимо. Нечасто резисторы монтируются в самом оборудовании, в результате чего для подключения резистора необходимо устанавливать перемычки. В этом случае, когда выполняется подключение устройства, линия рассогласовывается. Чтобы гарантировать нормальное функционирование всей остальной системы, понадобится подключить согласующую заглушку.

Уровни сигналов

Порт RS-485 применяет балансную схему передачи данных. Другими словами, уровни напряжения на сигнальных цепях А и В изменяются в противофазе. С помощью датчика обеспечивается уровень сигнала, составляющий 1.5 В, с учетом предельной нагрузки. Кроме того, предусмотрено не более 6 В в том случае, когда устройство функционирует на холостом ходу. Уровень напряжения замеряется дифференциально. В месте пребывания приемника минимальный уровень получаемого сигнала должен быть не меньше 200 мВ.

Смещение

Когда наблюдается отсутствие сигнала на сигнальных цепях, осуществляется небольшое смещение. Ним обеспечивается защита приемника в случае ложного срабатывания. Специалисты советуют выполнять смещение слегка больше 200 мВ, потому что это значение считается соответствующим зоне недостоверности входного сигнала по стандарту. В такой ситуации цепь А приближается к положительному полюсу источника, а цепь В подтягивается к общему.

Пример

Соответствуя требуемому смещению и напряжению источника питания, выполняется расчет номиналов резисторов. Например, если следует получить смещение, находящееся на уровне 250 мВ при задействовании терминальных резисторов, RT = 120 Ом. Стоит при этом отметить, что источник обладает напряжением 12 В. С учетом того, что в этом случае два резистора подключены параллельно друг другу и совершенно не принимают во внимание нагрузку со стороны приемника, ток смещения достигает 0.0042. В это же время общее сопротивление цепи смещения равняется 2857 Ом. Rсм при этом будет составлять около 1400 Ом. Таким образом, потребуется выбрать ближайший номинал. Примером будет взят резистор 1.5 кОм. Он необходим для смещения. Кроме того, используется внешний резистор на 12 вольт.

Также необходимо отметить и то, что в системе существует развязанный выход блока питания контроллера, который представляет собой главное звено в собственном сегменте цепи. Правда, имеются и другие варианты выполнения смещения, где задействован преобразователь RS-485 и иные элементы, однако все равно следует учитывать то, что узел, обеспечивающий смещение, иногда будет отключаться или в конечном итоге полностью удалится из сети. Когда существует смещение, потенциал цепи А на полностью холостом ходу считается положительным по отношению к цепи В. Это выступает в качестве ориентира при подключении нового оборудования к кабелю без использования маркировки проводов.

Неправильная разводка и искажения

Осуществление рекомендаций, указанных выше, дает возможность достичь корректной трансляции электрических сигналов в разные точки сети, когда в виде основы задействован протокол RS-485. Если хотя бы одно из требований не будет выполнено, возникает искажение сигнала. Самые заметные искажения появляются тогда, когда скорость обмена информацией выше 1 Мбит/с. Правда, даже при меньших скоростях не рекомендуется пренебрегать данными советами. Это правило действует и при нормальном функционировании сети.

Как программировать?

Во время программирования всевозможных приложений, которые работают с устройствами, применяемыми разветвитель RS-485 и прочие устройства с представленным интерфейсом, следует учитывать несколько важных моментов.

Прежде чем начнется выдача посылки, обязательно необходимо активировать передатчик. Стоит отметить, что по информации некоторых источников выдача способна осуществляться сразу после активации. Несмотря на это, некоторые эксперты советуют сначала выдержать паузу, по времени равную скорости трансляциии одного фрейма. При этом корректная программа приема может успеть полностью выявить ошибки переходного процесса, который способен провести процедуру нормализации и подготовится к очередному приему данных.

Когда будет выдан последний байт данных, необходимо также выдержать паузу, прежде чем отключать RS-485 устройство. Это в некотором смысле связано с тем, что в контроллере последовательного порта часто находится одновременно два регистра. Первый является параллельным входным, он предназначен для приема информации. Второй считается сдвиговым выходным, он применяется с целью последовательного вывода.

При передаче контроллером данных любые прерывания формируются при опустошении входного регистра. Это происходит тогда, когда информация уже была предоставлена в сдвиговый регистр, однако еще не выдана. В этом же состоит причина того, что после прекращения трансляции необходимо выдержать некоторую паузу перед выключением передатчика. Она по времени должна быть примерно больше на 0.5 бита, чем фрейм. При выполнении более точных расчетов советуется подробнее изучить техническую документацию контроллера последовательного порта, который используется.

Вполне возможно, что передатчик, приемник и конвертер RS-485 подключены к общей линии. Таким образом, собственный приемник начнет воспринимать также передачу, выполняемую собственным передатчиком. Зачастую бывает, что когда в системах, которые характеризуются произвольным доступом к линии, эта особенность применяется при проверке отсутствия столкновения между двумя передатчиками.

Конфигурация формата «шина»

Представленный интерфейс имеет возможность объединять устройства по формату «шина», когда все оборудование соединяется при использовании одной пары проводов. Это предусматривает то, что линия связи обязательно должна согласовываться оконечными резисторами двух концов. Чтобы это обеспечить, необходимо установить резисторы, которые характеризуются сопротивлением 620 Ом. Они монтируются всегда на первом и последнем устройстве, подсоединенном к линии.

Как правило, современные устройства имеют встроенное согласующее сопротивление. Если возникнет необходимость, его можно подключить в линию при помощи установки специальной перемычки на плату прибора. Стоит отметить, что состояние поставки перемычки сначала установлены, поэтому требуется снять их со всех устройств, кроме первого и последнего. Необходимо также заметить, что в преобразователях-повторителях модели С2000-ПИ для отдельного выхода согласующее сопротивление активируется с применением переключателя. Что касается устройств С2000-КС и С2000-К, которые характеризуются встроенным согласующим сопротивлением, перемычки, требуемой для его подключения, не существует. Чтобы обеспечить длинную линию связи, желательно использовать специализированные повторители-ретрансляторы, которые предварительно оснащены полностью автоматическими переключениями направления передачи.

Конфигурация формата «звезда»

Все ответвления в линии RS-485 считаются нежелательными, так как в этом случае возникает чрезмерное искажение сигнала. Хотя, с точки зрения практики, существует возможность допустить это тогда, когда существует небольшая длина ответвления. При этом не нужна установка согласующих резисторов на отдельных ответвлениях.

В системе RS-485, где управление предусмотрено при использовании пульта, когда резисторы и устройства подсоединены к одной линии, однако питаются от различных источников, необходимо объединять цепи 0 В всех устройств и пульта, чтобы достичь выравнивания их потенциалов. Когда это требование не будет соблюдаться, пульт способен обладать неустойчивой связью с устройствами. При использовании провода с несколькими витыми парами, для цепи выравнивания потенциалов можно применить полностью свободную пару, если в этом возникнет необходимость. Кроме того, предусмотрена возможность задействовать экранированную витую пару, если отсутствует заземление экрана.

Что следует учитывать?

В большинстве случаев ток, проходящий по проводу выравнивания потенциалов, считается довольно маленьким. Если 0 В устройств или же самих источников питания подключаются к нескольким локальным шинам заземления, то разность потенциалов между разными цепями 0 В способна достигать несколько единиц. Иногда данное значение находится на отметках десятков вольт, а ток, который протекает по цепи выравнивания потенциалов, является достаточно значительным. Зачастую в этом и состоит причина того, что возникает неустойчивая связь между пультом и устройствами. В результате они даже способны выйти из строя.

Таким образом, необходимо исключить возможность заземления цепи 0 В или же заземлять эту цепь в определенной точке. Кроме того, следует принимать во внимание возможность взаимосвязи между 0 В и цепью защитного заземления, которая присутствует оборудовании, используемом в системе ОПС. Стоит отметить, что на объектах, где характерна относительно тяжелая электромагнитная обстановка, существует возможность подключиться этой сети путем использования кабеля «экранированная витая пара». Остается подчеркнуть, что в данной ситуации может существовать меньшая предельная дальность, потому что емкость провода считается более высокой.

Передача информации между устройствами осуществляется с помощью специального протокола или интерфейса. Иногда требуется передавать данные на расстояние до нескольких километров. Одним из самых популярных интерфейсов для передачи информации, является RS-485.

Что такое RS-485?

Стандарт RS-485 подразумевает отправку данных одного или нескольких устройств на главный терминал. Хороши примером работы такой системы будет получение информации от микропроцессорных терминалов. Они подключены между собой и к главному диспетчеру.

Все данные передаются в режиме реального времени. В случае поломки или срабатывания защиты, на главный компьютер поступает соответствующие сообщение. Тогда, оператор может увидеть на каком именно терминале произошла неполадка и быстро ее устранить.

Кроме того, на главном компьютере отображаются характеристики всех терминалов. К ним относится температура, производительность. Также можно увидеть, какие именно девайсы включены или отключены.

Этот интерфейс связи необходим для обработки команд. Так, оператор совершает определенные действия, которые стандарт преобразовывает в машинный язык. После этого все команды передаются на указанный терминал и происходит обратное преобразование.

Интерфейс RS-485 допускает до 32 приемопередатчиков на один сегмент сети. Длина может достигать 1200 метров. Максимальное количество узлов составляет 256. Для лучшей передачи данных нужно использовать витую пару.

Принцип связи между устройствами

Компоненты сети соединяются двумя проводами, используя балансный (дифференциальный) метод подключения. При таком способе сигнал передается по двум проводам. Если один из проводников обозначить буквой «A», а второй «B», то информация будет передаваться по A в исходном виде, а по B —в инвертированном. Если на проводе A максимальное значение, то на B — минимальное.

Поэтому всегда существует разность значений напряжения между проводами A и B. Итоговая информация считывается в точке приема по этому показателю.

Благодаря дифференциальному способу передачи, достигается высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам. Так как витая пора состоит из двух проводников сигнала, расположенных близко к друг другу, то любая наводка действует практически одинаково на них. Если произошло изменение амплитуды на проводе A, то настолько же изменился инвертированный сигнал на B.

  Способы подключения наушников с микрофоном или телефонной гарнитуры к компьютеру

Но значение имеет не величина напряжения относительно земли на одном из проводов, а разность потенциалов между ними, которая не изменится, и полезная информация не исказится.

Напряжение относительно земли может быть от -7 В до +12 В. Значения от 200 мВ до 12В приемники на линии воспринимают как логическую 1,  от -7 В до -200 мВ — как логический 0. Балансное напряжение на выходе должно быть не менее 1,5 В. Приемник реагирует на величины от 200 мВ.

В рассматриваемом стандарте большая разность потенциалов позволяет передавать управляющие сигналы на длинные расстояния. В RS-482 максимальная длина линии достигает 1200 метров при скорости обмена данными около 100 кбит/с.

Описание интерфейса

Стандарт имеет несколько основных характеристик. Обмен данными происходит в полудуплексном режиме. При этом используется одна двухпроводная линия связи. Интерфейс применяется в промышленности во время создания автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Количество подключаемых устройств

Значение данной характеристики вычисляется из расчета количества оборудования на одну линию связи. Здесь число может варьироваться в зависимости от сопротивления приемника. В одной линии связи может присутствовать до 32 устройств. Приемник может иметь входное сопротивление 1/2, 1/4, 1/8. От этого числа зависит и конечное количество устройств. Так, его можно увеличить в 2, 4 или 8 раз.

Расстояние и скорость

Максимальное расстояние подключаемых устройств зависит от скорости передачи информации. Это необходимо учитывать перед подключением. Так, при скорости 10 Мб/с расстояние будет составлять 120 метров. При скорости 100 Мб/с можно размещать оборудование на расстоянии до 1200 метров.

Протоколы передачи и разъемы

Для передачи информации используются стандартные фреймы:

• стартовый бит;
• стоповый бит;
• биты данных.

Принцип действия протоколов обмена системы состоит в «ведущий-ведомый». Главное устройство инициирует и контролирует передачу данных между остальными.

Стандартом не предусмотрено обозначение типа соединителей. Это же относится и к распайке. Так, можно встретить различные соединители, например, DB9 или клеммные.

Порядок обмена данными по RS-485

Несколько устройств подключаются между собой с помощью цепочки кабелей. Для обмена информации необходим специальный протокол. Чаще всего используется Modbas.

  На что обратить внимание при выборе оперативной памяти

Например, есть несколько устройств, которые собирают информацию. Раз в месяц они должны передать все данные в центральный компьютер. Для этого главное устройство оформляет запрос. Каждый терминал имеет свой порядковый номер. Эти цифры будут идти первыми в запросе. Если команда не совпадает с номером терминала, то он будет его игнорировать.

Следующие цифры в запросе отвечают за действие, которое должно произвести устройство. Например, передача информации. Таким образом, команда дойдет до нужного терминала и будет выполнена нужная операция.

В некоторых случаях запрос не доходит до устройства. Происходит сбой на линии или помехи. Для исключения помех используется контрольная сумма. Это некий набор цифр, который присутствует в запросе. Также, он есть и на самом оборудовании. Таким образом можно проверить, достигла ли команда конечной цели.

Требования к кабельным соединениям

При подключении интерфейса RS-485 нужно соблюдать некоторые требования. Требуется две пары кабелей «витая пара». Однако, для обмена информации достаточно и одной. Вторая пара используется в качестве резерва.

Чтобы уменьшить помехи, необходимо экранировать кабели. Экраны следует соединить по всей длине линии. Заземлять провод нужно только в одном месте. В противном случае возникнут наводки, из-за разницы потенциала в двух точках. Они пройдут по всей длине экрана.

С самим подключением кабелей проблем возникнуть не должно. Однако, программная часть соединения устройств гораздо сложнее. Здесь лучше доверить работу профессионалам.

Распиновка RS-485

Наиболее часто для соединения устройств в стандарте RS-485 используется разъем DB-9, мама (F) или папа (M).

Схема контактов выглядит так:

Разъем DB-25 также используется в соединениях RS-485:

Соответствие между DB-9 и DB-25:

Маркировка обозначает следующее:

• GND — земля;
• DCD — обнаружение устройства готового к передаче;
• DSR — вход, который информирует, что все предварительные настройки выполнены, приемопередатчик готов к работе;
• DTR — выход, посылающий сигнал DSR;
• CTS — вход, который сообщает передатчику, что приемник готов к получать данные по TXD;
• RTS — выход трансмиттера, отправляющего CTS ресиверу;
• RD или RXD — асинхронный вход, принимающий информацию;
• TD или TXD — асинхронный выход, отправляющий данные;
• RI — вход, сообщающий ресиверу о запросе от передатчика.

  Выбираем микрофон для компьютера

Для стандарта используются 3 контакта в разъеме:

Схемы подключений

Интерфейс RS-485 может работать в режиме полного дуплекса или полудуплекса. В первом случае устройство может одновременно передавать и получать данные. Полудуплекс подразумевает только одно из действий.

Режим полного дуплекса предполагает наличие 4 контактов. Он имеет следующую схему подключения:

Схема подключения полудуплексного RS 485 с 2 контактами:

Правильная разводка сетей

На первом рисунке находится один трансмиттер и один ресивер. Установлены терминаторы.

На следующем рисунке обозначены 1 передатчик и несколько приемников. Ответвления к ресиверам короткие.

Сложная схема с несколькими приемопередатчиками. Также нужно подключать их к сети короткими проводами.

Неправильные подключения

На рисунке изображена сеть без согласующего резистора. Такое подключение искажает сигнал.

На следующем изображении есть терминаторы, но один расположен неверно, не в конце сети.

Далее показана цепь с длинными ответвлениями, что тоже расстраивает всю систему.

RS-232 и RS-485

Интерфейс RS-232 состоит из передатчика и приемника сигнала. Данный стандарт применяются в небольших сетях. Его главным недостатком является плохая помехоустойчивость. Все дело в том, что данные формируются относительно земли. Это приводит к частым сбоям и потере информации.

Часто RS-232 используется для временного подключения. С его помощью можно настроить начальную конфигурацию или исправить возникшие ошибки.

Данный интерфейс имеет полудуплексный режим связи. Вход приемника соединяется с выходом передатчика. Прием и передача может осуществляться в одно и то же время.

В целом, если обобщить, отличаются 2 интерфейса по следующим параметрам:

1. Дистанция. У RS-232 она составляет 15 м, а у конкурента — 1200 м.
2. Количество подключаемых устройств. 1 против 256 у RS-485.
3. RS-232 подвержен сильным искажениям при электромагнитных помехах, так как не использует дифференциальную передачу сигнала.
4. RS-485 распространен в промышленности.

Читайте также:

Используемые источники:

• https://aveon.ru/services/006/
• http://bezwindowsa.ru/moya-zhizn/rs-485-podklyuchenie-i-upravlenie.html
• http://composs.ru/chto-takoe-rs-485/