Большинство разработчиков систем промышленной автоматизации и сетей передачи данных в той или иной степени имеют представление о стандарте EIA RS-422/485. В самом деле, практически все компьютеры в промышленном исполнении оснащены средствами организации информационного обмена с использованием данных интерфейсов.

Интерфейс RS-485 - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Многие современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS-232C также могут иметь в своем составе подсистему последовательного ввода вывода информации на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры многих производителей в качестве средств организации территориально распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейса RS-485.

1.1 Основные понятия и определения

В ходе изложения использованы следующие термины:

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

D(driver) - передатчик;
R (receiver) - приемник;
DI (driver input) - цифровой вход передатчика;
RO (receiver output) - цифровой выход приемника;
DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;
RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;
A - прямой дифференциальный вход/выход;
B - инверсный дифференциальный вход/выход;
Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);
Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику. RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаються в режиме приема.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 кОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбит/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).

Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку у RS-485 на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу.

При проектировании системы на базе технических средств, соответствующих данному стандарту, следует учитывать ряд факторов, среди которых в первую очередь должны рассматриваться следующие: количество передатчиков и приемников, скорость передачи данных, способ объединения технических средств и максимальная протяженность линии связи.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные линией связи (обычно при помощи витой пары).

Как правило, система содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующие резисторы. Каждый формирователь должен обеспечивать работу на 32 единицы нагрузки помимо согласующих резисторов, каждая из которых представляется совокупностью приемника и формирователя, находящегося в пассивном состоянии.

3.1 Согласующие резисторы

Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения единиц нагрузки. Сопротивление каждого согласующего резистора должно совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля (от 100 до 120 Ом).

При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому - конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений.

Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако, время реакции приемников - десятки/сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения.

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

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

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

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии.

3.2 Защитное смещение

Большинство микросхем RS-485 имеют пороговый диапазон распознавания сигнала на входах A-B - ±200мВ. Если |Uab| меньше порогового (около 0), то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую "1", поддерживая, таким образом, уровень стопового бита.

Добиться этого просто - прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) - к "земле". Получается делитель:

Rвх - входное сопротивление приемника (обычно 12 кОм);

Rc - согласующие резисторы (120 Ом);

Rзс - резисторы защитного смещения.

Величины сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ. Напряжение питания - 5В. Сопротивление среднего плеча - 120Ом//120Ом//12КОм на каждый приемник - примерно 57 Ом (для 10 приемников). Таким образом, выходит примерно по 650 Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом - сопротивление Rзс должно быть меньше 650 Ом. Традиционно ставят 560 Ом.

В расчете номинала Rзс учитывается нагрузка. Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс дожен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать сопротивление витой пары, которое может "съедать" часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты:

Безотказность в открытых цепях. (Open circuit failsafe.) В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы. Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение обеспечивается только для открытых (ненагруженных) дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако, если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120 Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60 Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому, если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае, остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

Истинная безотказность. (True failsafe.) В этих устройствах смещены сами пороги распознавания сигнала. Например: -50 / -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ. То есть при Uab>-50мВ на выходе приемника RO будет логическая "1", а при Uab<-200 - на RO будет "0". Таким образом, и в разомкнутой и в пассивной линии при разности потенциалов Uab близкой к нулю, приемник выдаст "1". Для таких приемопередатчиков внешнее защитное смещение не требуется. Тем не менее, для лучшей помехозащищенности все-таки стоит дополнительно немного подтягивать линию.

Сразу виден минус внешнего защитного смещения - через делитель постоянно будет протекать ток, что может быть недопустимо в системах малого потребления. В таком случае можно сделать следующее:

а). Уменьшить потребление тока, увеличив сопротивления Rзс. Хотя производители приемопередатчиков и пишут о пороге распознавания в 200мВ, на практике вполне хватает 100мВ и даже меньше. Таким образом, можно сразу увеличить сопротивления Rзс раза в два-три. Помехозащищенность при этом несколько снижается, но во многих случаях это не критично.

б). Использовать true failsafe приемопередатчики со смещенными порогами распознавания. Например, у микросхем MAX3080 и MAX3471 пороги: -50мВ / -200мВ, что гарантирует единичный уровень на выходе приемника при отсутствии смещения (Uab=0). Тогда внешние резисторы защитного смещения можно убрать или значительно увеличить их сопротивление.

в). Не применять без необходимости согласование на резисторах. Если линия не будет нагружена на 2 по 120 Ом, то для обеспечения защитного смещения хватит подтяжек в несколько килоом в зависимости от числа приемников на линии.

Для оптически развязанной линии подтягивать следует к питанию и "земле" изолированной линии. Если не применяется опторазвязка, подтягивать можно к любому питанию, так как делитель создаст лишь небольшую разность потенциалов между линиями A и B. Нужно только помнить о возможной разности потенциалов между "землями" устройств, расположенных далеко друг от друга.

3.3 Защита от перенапряжения на 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 либо опторазвязкой цифровых сигналов (RO, DI, RE, DE) с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков, либо применением приемопередатчиков со встроенной гальванической развязкой сигналов и питания (например, MAX1480). Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной "земли" (сигнальной "земли") и, возможно, провод изолированного питания линии.

Дренажный провод - провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий "земли" удаленных устройств. Через этот провод уравниваются потенциалы "земель". При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении - отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод его заземляют в каждом устройстве через резистор в 100 Ом (0.5 Вт).

Замыкание на высоковольтные цепи.

Если существует опасность попадания на линию или одну из местных "земель" высокого напряжения, следует применять опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.

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 дифференциальных перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные "земли" при помощи ограничителей напряжения. Это могут быть варисторы, полупроводниковые ограничители напряжения и газоразрядные трубки. Физический принцип их действия разный, но суть одна - при напряжении выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию. Газоразрядные трубки могут шунтировать очень большие токи, но имеют высокий порог пробоя и низкое быстродействие, поэтому их лучше применять по трехступенчатой схеме вместе с полупроводниковыми ограничителями. Когда заземление линии невозможно, проводники линии шунтируют ограничителями между собой. Но это защитит только от дифференциальных перенапряжений - защиту от общего должна взять на себя опторазвязка.

Защита ограничителями напряжения действенна при кратковременных перенапряжениях. При длительных - токи короткого замыкания могут вывести ограничители из строя, и устройства на линии окажутся без защиты. Для защиты от коротких замыканий в линию можно последовательно включить плавкие предохранители.

3.4 Меры защиты от помех

Диагностика. По возможности выбрать маршрут прокладки кабеля с замером уровня помех. 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. Если сбоев слишком много, желательно поработать над поиском и устранением их причины. Снижение скорости связи 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.

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. Сигнальные цепи питания оптоизолированной линии лучше не использовать для питания чего-либо еще, так как протекающие по сигнальной "земле" лишние токи могут вносить в линию дополнительный шум. 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.

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. Некоторые разработчики рекомендуют для защиты от радиопомех 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.

1. "Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты RS-422/RS-485"
   Александр Локотков. Журнал "СТА" 3/1997.
   http://www.cta.ru/pdf/1997-3/note1_1997_3.pdf
2. "RS-485 для чайников".
   Евгений Александрович Бень.
3. "Правильная разводка сетей RS-485"
   Maxim's Application Note 763 (январь 2001 года), пер. И.Н. Бирюков.
   http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs485/app.htm (рус)
   http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/763 (англ)
4. "RS-422 and RS-485 Application Note"
   B&B Electronics Mfg. Co. Inc (Rev. 1997)
   http://www.bb-elec.com/bb-elec/literature/tech/485appnote.pdf (англ)
5. "Руководство по применению DMX512" (управление диммерами по RS-485)
   Adam Bennette. Copyright © PLASA 1994. (Пер. АО "ДСЛ" 1995-97)
   http://dsl.msk.ru/rus/around/dmx512/dmx512.htm