Rs485 для чего используется
Интерфейс RS 485: описание
Определение понятия
Вам будет интересно: GeForce GT 720M: обзор, характеристики и отзывы
Вам будет интересно: Что значит включить WMM?
Однако потом корпорация заменила данный префикс на EIA/TIA, чтобы стало возможным легко идентифицировать создателей стандарта. Но все же многие инженеры предпочитают использовать в работе, технических статьях прежнюю маркировку RS.
Описание интерфейса
Чтобы разобраться с преобразователем интерфейса RS 485/RS 232 (последний мы кратко представим в заключении статьи), нужно знать основные параметры. Разберем самые главные:
Технохарактеристики интерфейса
Что важно знать о разветвителе интерфейса RS 485? Сам стандарт формирует только электрические и временные его (интерфейса) характеристики. При этом стандарт не будет оговаривать следующее:
Особенности временные и электрические
Приведем важные для инженеров характеристики популярного промышленного интерфейса RS 485:
Характеристики по скорости обмена данными, определяющей длину всей линии:
Важное примечание для интерфейса RS 485. Стандарт оговаривает только следующие скорости: 62,5 Кбит/сек, 2400 Кбит/сек, 375 Кбит/сек. На всех иных (более 500 Кбит/сек) рекомендовано использование витых пар с экраном.
Теперь перейдем к требованиям, установленным для выходного каскада. Он должен представлять собой источник напряжения, имеющий малое сопротивление: |U вых|=1,5:5,0 В (не меньше 1,5 В и не больше 6,0 В). Отсюда выходит следующее:
Вам будет интересно: G-сенсор в видеорегистраторе: что это такое?
Характеристики сигнала
Повествуя о подключении RS 485, приведем и эту информацию. Для передачи сигнала стандартом определяются следующие линии:
Согласно стандарту, также определяется следующее:
Здесь при описании состояний шины будет применяться инверсная логика. А логика однополярных сигналов на выходе приемника и входе передатчика не будет определяться.
Но при этом большинство производителей все же придерживаются предписаний стандарта. Неинвертирующая линия обозначается символом А. Соответственно, высокий сигнальный уровень на входе передатчика станет соответствовать состоянию VA> VB на шине. Также неравенство будет тождественно высокому уровню сигнала, наблюдаемого на выходе приемника.
Смещение и согласование
Что важно знать в продолжение темы о разветвителе RS 485 еще? Предлагаем вам затронуть также информацию о помехах, которые могут возникнуть в линии связи.
И вот что важно знать об искажениях. При большой продолжительности линии связи часто появляются эффекты длинных линий. Корень проблемы кроется в распределенных индуктивных и емкостных свойствах кабелей. Что выходит в итоге? Сигнал, переданный в линию каким-либо из узлов, начинает искажаться по продолжительности распространения в ней (линии). Появляются сложные резонансные явления.
Так как кабель на своей длине отличается одинаковой конструкцией, одинаковыми распределенными параметрами погонной индуктивности и емкости, данное свойство будет характеризоваться специальным параметром. Это волновое сопротивление.
На практике номинал резистора выбирают и большего значения, нежели волновое сопротивление, так как омическое сопротивление кабеля порой становится настолько большим, что сигнальная амплитуда на приемной стороне становится слишком малой для устойчивого приема. Тут находят равновесие между резонансными и амплитудными искажениями, повышая номинал терминатора и снижая скорость интерфейса.
Чтобы не было помех, линия связи должна последовательно обходить все передатчики. И еще важный момент. У витой пары не должно быть длинных отводов (участков-отрезов кабеля для подсоединения к узлу). Исключение: использование повторителей интерфейса, низкие скорости передачи данных (менее 9600 бит/с).
Если активный передатчик отсутствует, то уровень сигнала в линиях не определяется. Чтобы предотвратить ситуацию, когда разница между выходами В и А менее 200 мВ (неопределенное состояние), можно применить смещение с помощью специальной схемы или резисторов. Приемники станут принимать сигнал помехи в том случае, если состояние линий не определено. Для их стабилизации, качественного начала приема порой применяются передачи служебных последовательностей.
Особенности подключения
Кроме преобразователей RS 485, хочется подробнее остановиться на подключении. На основе этого интерфейса конструируется локальная сеть, объединяющая в себе несколько приемопередатчиков.
При подключении рекомендуется иметь в виду следующие рекомендации специалистов:
Примеры использования
Вам будет интересно: Замена бензонасоса своими руками: пошаговая инструкция, особенности и рекомендации
Преобразователи RS 485 распространены в промышленной сфере. Рассмотрим также сетевые протоколы, использующие данный стандарт:
На основе RS 485 построены следующие промышленные сети:
Рекомендации по программированию
Сфера применения преобразователя интерфейса RS 485 широка. В данном пункте мы подробнее остановимся на программировании тех приложений для контроллеров, что для связи используют данный интерфейс:
Отличия интерфейсов RS 232, 422, 485
Давайте сравним эти популярные стандарты. Объединяет интерфейсы RS 232, RS 485, RS 422 то, что они используются для передачи цифровой информации. При этом 232 более известен как СОМ-порт компьютера. А другие два распространены в промышленной среде для соединения между собой различного оборудования.
Различия RS 232, RS 485 возможно отследить, представив техническую характеристику этих интерфейсов. Начнем с 232:
Теперь в сравнении RS 232, RS 485, RS 422 следующий интерфейс. Это 422:
Сравниваются между собой преобразователи RS 232, RS 485. Приведем краткую характеристику последнего интерфейса, главного в нашем рассказе:
Вот и все, что мы хотели рассказать об интерфейсе RS 485, широко применяемом сегодня в промышленности для передачи информации между устройствами, аппаратурой. По каким-то характеристикам он схож с родственными стандартами, по каким-то (подключение, передача данных, устранение помех) существенно отличается от них.
RS-485 против Ethernet в системах СКУД: попробуем разобраться?
С. Солодянкин
ЗАО «Стилсофт»
В настоящее время преимущества сетевых систем контроля и управления доступом ни у кого уже не вызывают сомнений – возможность централизованного ведения базы данных пропусков, учет рабочего времени, удаленное управление устройствами ограничения доступа давно уже стали стандартом де-факто для проектируемых систем. Также в отдельную категорию необходимо вынести желание заказчика иметь распределенную комплексную систему безопасности, в которую входят, помимо системы СКУД, системы видеонаблюдения, охранно-пожарной сигнализации, оповещения, защиты периметра. В данный момент времени существуют две основные архитектуры построения сетевых СКУД – на базе протокола RS-485 и на базе протокола Ethernet. Попробуем разобраться, какая из них удобнее.
Немного истории
RS-485 – полудуплексный многоточечный последовательный интерфейс передачи данных. Передача данных осуществляется по одной паре проводников с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности – нуль.
Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA – Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA – Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом RS (рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил RS на EIA/TIA с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов. На сегодняшний день различные расширения стандарта RS-485 охватывают широкое разнообразие приложений, этот стандарт стал основой для создания целого семейства полевых шин, широко используемых в промышленной автоматизации.
В стандарте RS-485 для передачи и приема данных часто используется единственная витая пара проводов. Процедуры совместного использования линии передачи требуют применения определенного метода управления направлением потока данных. Наиболее широко распространенным методом является использование сигналов RTS (Request To Send) и CTS (Clear To Send).
Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485:
Ethernet (эзернет, от лат. aether – эфир) – пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных.
Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде – на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространенной технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века.
Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято, что Ethernet был изобретен 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил только через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks.
Меткалф ушел из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями token ring и ARCNET, которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet.
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех вариантах. Ввиду огромного количества разнообразных стандартов протокола Ethernet, многие из которых устарели, не успев даже появиться, рассмотрим лишь несколько основных:
100BASE-T – общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 150 м. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
100BASE-LX WDM – стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина сегмента 15 км в полнодуплексном режиме на длине волны 1310 нм и 1550 нм. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны), либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы, с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой – на 1550 нм.
1000BASE-T, IEEE 802.3ab – стандарт, использующий витую пару категорий 5e или 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных – 250 Мбит/с по одной паре.
Рассматриваемые интерфейсы в системах контроля и управления доступом
Первым на рынок систем безопасности пришел и прочно там закрепился интерфейс RS-485, так сложилось ввиду его широкого распространения на рынке промышленных микроконтроллеров, в то время когда Ethernet еще только-только начал появляться в сфере высоких технологий. На текущий момент времени львиная доля рынка систем СКУД, как, впрочем, и систем охранно-пожарной сигнализации, безоговорочно принадлежит RS-485.
Контроллеры СКУД, передающие данные по протоколу RS-485, чаще всего недороги. Микросхемы, организующие шину, стоят очень дешево, схемотехника готового устройства чрезвычайно проста – все эти факторы, безусловно, говорят в пользу RS-485.
Рассмотрим процесс передачи данных по шине RS-485. Центральный контроллер (Мастер-контроллер) или компьютер обеспечивает загрузку в память контроллера данных о пропусках, временных графиках доступа. Логика контроллера самостоятельно принимает решения о пропуске того или иного человека. После совершения прохода контроллер обеспечивает выгрузку событий о проходах в базу данных компьютера (Мастер-контроллера). Пропускная способность шины и, как следствие, количество контролеров на одной шине обычно не имеют принципиального значения, в связи с тем, что работа по добавлению новых пропусков и передаче событий может происходить в фоновом режиме, одновременно с функционированием проходной.
Казалось бы, если все работает, зачем изобретать что-то новое, но развитие технологий не останавливается, задачи по обеспечению безопасности с каждым днем становятся все сложнее, развитие программного обеспечения для систем контроля и управления доступом начинает опережать аппаратную составляющую.
И сразу же начинают возникать проблемы. Допустим, нам требуется управлять одной или несколькими проходными в реальном времени, используя сложные нестандартные правила. Например, применяя одновременно несколько способов идентификации (например, по карте, отпечатку пальца и лицу), практикуя правила двух или трех карт, задействовав для разных групп людей разные устройства идентификации. Обычно контроллер не может решить эту задачу самостоятельно в автономном режиме. Подобные сложные решения обычно реализуют, управляя контроллером непосредственно с компьютера, используя контроллер просто как интерфейсный модуль, через который подключены считыватели и устройства ограничения доступа. Одновременный обмен данными уже с 15 контроллерами по шине RS-485 вызывает неприемлемые для пользователя задержки в работе системы – открытия турникета при поднесении карты приходится ждать по несколько секунд. Ускорить данный процесс техническими ухищрениями практически невозможно в связи с «идеологией» организации шины RS-485. Все устройства, подключенные к этой шине, опрашиваются последовательно, одно за другим, а если учесть маленькие скорости передачи данных шины RS-485, то легко сделать вывод, что большую систему контроля и управления доступом, использующую сложные методы идентификации на шине RS-485, построить практически невозможно.
Перечисленные выше недостатки в ряде систем СКУД проявляются даже на уровне простых решений. Например, если во время добавления пользователей в бюро пропусков попытаться с рабочего места охранника открыть турникет вручную из программного обеспечения, то команда открытия турникета дойдет со значительной задержкой.
Решить данную проблему можно, заменив протокол передачи данных. Новый протокол должен обеспечивать параллельную передачу данных с тем, чтобы команды и данные передавались не всем устройствам по очереди, а необходимому устройству сразу. Также необходимо увеличить скорость передачи данных. И последнее, новый протокол должен быть максимально распространенным для обеспечения совместимости с существующими сетевыми устройствами и будущими разработками. Используя распространенный протокол, можно быть уверенным, что строящаяся система контроля и управления доступом сможет получить развитие в будущем. Идеально, если протокол сможет организовать единую шину передачи данных для всех элементов комплексной системы безопасности объекта.
Обобщив все вышеуказанные тезисы, можно легко сделать вывод, что единственная на данный момент времени технология передачи данных, удовлетворяющая всем перечисленным выше требованиям, – это сеть Ethernet.
Ethernet – самая распространенная в мире сеть передачи данных. Оборудование и протоколы передачи данных, использующие эту сеть, непрерывно развиваются. Благодаря большой распространенности микроконтроллеры, поддерживающие сеть Ethernet, значительно подешевели и, соответственно, цена на контроллеры СКУД может быть невысокой. Также сети Ethernet уже имеются в каждом офисе и предприятии, соответственно при использовании данной сети не потребуются дополнительные затраты на прокладку проводов.
Давайте обобщим основные преимущества использования сети Ethernet для организации СКУД:
Но, как известно, любая, даже самая совершенная, система имеет недостатки. Рассмотрим недостатки контроллеров СКУД, использующих шину Ethernet.
Перечисленные выше недостатки шины Ethernet не идут ни в какое сравнение с получаемыми, в конечном счете, возможностями.
Чтобы наиболее полно оценить разницу в технологиях, давайте рассмотрим функциональные характеристики контроллера СКУД STS-407, использующего шину Ethernet, и сводную характеристику контроллеров СКУД ряда ведущих российских и зарубежных производителей, использующих шину RS-485 (табл. 1):
Практическая проверка
Для того чтобы наиболее полно увидеть картину рынка СКУД на сегодняшний день, было решено произвести небольшое исследование. Было разработано и отправлено два технических задания в 36 случайным образом выбранных компаний-инсталяторов систем безопасности, представленных на российском рынке. Компании были абсолютно разные: небольшие и крупные, известные и зарекомендовавшие себя на рынке и только-только начинающие свой путь.
Первое техническое задание – маленький офис с одним турникетом на входе. Из требований было выдвинуто: фотоидентификация, две камеры видеонаблюдения, учет рабочего времени, общее количество сотрудников 120 человек. Результаты были в принципе предсказуемы заранее, хочется сразу предупредить, что средняя цена решений получилась условной, это объясняется разной политикой компаний (где-то, например, явно завышена цена на монтажные работы и сильно опущена на оборудование), а также разными регионами расположения компаний инсталляторов. Получившиеся результаты выглядят примерно так:
1. 25 компаний предложили простое решение с контроллерами различных производителей на базе шины RS-485, видеонаблюдение было предложено как отдельная система, не связанная с системой СКУД; средняя цена оборудования для данного решения составила 73000 руб.
2. 8 компаний предложили комплексное (СКУД интегрирован с видеонаблюдением) решение на базе контроллера, работающего по RS-485; средняя цена не сильно отличалась от предыдущего результата, будем считать ее равной 73000 руб.
3. 3 компании предложили комплексное решение (СКУД интегрирован с видеонаблюдением) на базе контроллера с шиной Ethernet. Это решение оказалось незначительно дороже всех остальных и в среднем обойдется клиенту в 78000 руб.
Второе техническое задание было не простым. Один из крупных объектов нефтегазовой промышленности: 12 проходных, разнесенных по территории, 8 из них связаны с серверной (находящейся в административном здании) локальной компьютерной сетью, на 2 есть телефонная связь и свободная витая пара, но нет возможности установки компьютера, расстояние до административного здания 1100 и 3300 м, 2 проходные без линий связи, расстояние 1600 и 2000 м прямой видимости до административного здания. Воздушные лини связи не разрешены, кабельные канализации существуют, но доступ к ним не разрешен. Требования: количество сотрудников 17000 человек, глобальный режим запрета повторного прохода AntiPassBack, учет рабочего времени, возможность использования биометрических сканеров и т.п., также было предъявлено требование по интеграции с видеонаблюдением (на каждой проходной 2 камеры, минимум по 7-8 к/с). Результаты оказались очень интересны:
1. От 7 компаний за два дня внятного ответа получить не удалось.
2. 1 компания через 3 часа прислала ТЗ к авторам этой статьи с просьбой предложить решение.
3. 16 компаний предложили однотипные решения, которые выглядели примерно так: на каждой проходной устанавливается компьютер, к которому подключаются по RS-485 контроллеры СКУД и видеокамеры. Все компьютеры разными способами организуют между собой локальную сеть. Там, где нет возможности устанавливать компьютеры, используются преобразователи интерфейса RS-485 в Ethernet. Средняя цена такого решения получилась: оборудование – 2530000 руб., работы и расходные материалы – 1980000 руб.
4. 12 компаний предложили использовать Ethernet-контроллеры, которые разными способами (хDSL, WiFi-технологии) образуют локальную сеть. Для организации видеонаблюдения использовались IP-технологии. Средняя цена такого решения: оборудование – 2150000 руб., работы и расходные материалы – 1550000 руб.
Из нашей практической проверки можно сделать следующие выводы:
Но в рамках нашего исследования тенденция, обозначенная выше, прослеживалась достаточно четко.
Выводы
Прогресс не стоит на месте, последнее десятилетие в мире невооруженным глазом видна тенденция бурного роста компьютерных технологий, вычислительных мощностей и огромных скоростей передачи данных. Многие эксперты считают, что в недалеком будущем нас ждет «глобальная сетевая интеграция» на основе Internet. Учитывая вышесказанное, рано или поздно все, или почти все, системы, которые используют передачу данных, благополучно перейдут на протокол Ethernet. Яркий пример тому – системы охранного телевидения: несколько лет назад у IP- видеонаблюдения было огромное количество противников, но время все расставило на свои места, и сейчас мы видим, что IP-видео медленно, но неотвратимо вытесняет с рынка классические схемы построения систем видеонаблюдения. Хотя многие эксперты в области СКУД считают, что протокол Ethernet «избыточен» для систем СКУД, что он слишком «широкий» и «быстрый», мы с уверенностью можем сказать, что в IT-технологиях «слишком быстро» не бывает. Никто не знает, какие требования к системам СКУД будут предъявлены завтра, и запас скорости точно не будет лишним, а сегодня можно существенно упростить и удешевить систему комплексной безопасности объекта, использовав единую шину передачи данных для всех ее элементов (СКУД, видеонаблюдение, ОПС) и проложив один информационный кабель вместо толстого жгута проводов. Учитывая все вышеизложенное, я думаю, что не слишком сильно ошибусь, предположив, что не пройдет и двух-трех лет до того момента, когда принцип построения СКУД на Ethernet станет считаться классическим.
Источник: «Алгоритм Безопасности» № 4, 2008 год
RS-485: все еще самый надежный промышленный интерфейс
В условиях промышленного применения беспроводные линии передачи данных никогда не смогут полностью заменить проводные. Среди последних самым распространенным и надежным до сих пор остается последовательный интерфейс RS-485. А производителем наиболее защищенных от внешних воздействий и разнообразных по конфигурации и степени интеграции приемопередатчиков для него, в свою очередь, остается компания Maxim Integrated.
Несмотря на рост популярности беспроводных сетей, наиболее надежную и устойчивую связь, особенно в жестких условиях эксплуатации, обеспечивают проводные. Правильно спроектированные проводные сети позволяют реализовать эффективную связь в промышленных приложениях и в системах автоматизированного управления производственными процессами, обеспечивая устойчивость к помехам, электростатическим разрядам и перенапряжениям. Отличительные особенности интерфейса RS-485 обусловили его широкое применение в индустрии.
Сравнение интерфейсов RS-485 и RS-422
Приемопередатчик RS-485 является наиболее распространенным интерфейсом физического уровня для реализации сетей с последовательной передачей данных, предназначенных для жестких условий эксплуатации в промышленных применениях и в системах автоматизированного управления зданиями. Данный стандарт последовательного интерфейса обеспечивает обмен данными с высокой скоростью на сравнительно большое расстояние по одной дифференциальной линии (витой паре). Основная проблема применения RS-485 в промышленности и в системах автоматизированного управления зданиями состоит в том, что электрические переходные процессы, возникающие при быстрой коммутации индуктивных нагрузок, электростатические разряды, а также импульсные перенапряжения, воздействуя на сети автоматизированных систем управления, способны исказить передаваемые данные или привести к выходу их из строя.
В настоящее время существует несколько типов интерфейсов передачи данных, каждый из которых разработан для конкретных применений с учетом требуемого набора параметров и структуры протокола. К числу интерфейсов последовательной передачи данных относятся CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI и SMBus, однако RS-485 и RS-422 по-прежнему остаются наиболее надежными, особенно в жестких условиях эксплуатации.
Интерфейсы RS-485 и RS-422 во многом схожи, однако имеют некоторые существенные отличия, которые необходимо учитывать при проектировании систем передачи данных. В соответствии со стандартом TIA/EIA-422, интерфейс RS-422 специфицирован для промышленных применений с одним ведущим устройством шины данных, к которой может быть подключено до 10 ведомых устройств (рисунок 1). Он обеспечивает передачу на скорости до 10 Мбит/с, используя витую пару, что позволяет повысить помехоустойчивость и достичь максимально возможной дальности и скорости передачи данных. Типичные области применения RS-422 – автоматизация производственных процессов (производство химикатов, пищевое производство, бумажные фабрики), комплексная автоматизация производства (автомобильная и металлообрабатывающая промышленность), системы вентиляции и кондиционирования, системы безопасности, управление двигателями и контроль за перемещением объектов.
Рис. 1. Интерфейс RS-422 с подключением нескольких приемных устройств к общей двухпроводной линии связи
RS-485 обеспечивает более высокую гибкость благодаря возможности использования нескольких ведущих устройств на общей шине, а также увеличения максимального числа устройств на шине с 10 до 32. Согласно стандарту TIA/EIA-485, интерфейс RS-485 по сравнению с RS-422 имеет более широкий диапазон синфазного напряжения (-7…12 В вместо ±7В) и несколько меньший диапазон дифференциального напряжения (±1,5 В вместо ±2 В), что обеспечивает достаточный уровень сигнала приемника при максимальной нагрузке линии. Используя расширенные возможности многоточечной шины данных, можно создавать сети устройств, подключенных к одному последовательному порту RS-485. Благодаря высокой помехоустойчивости и возможности многоточечных подключений RS-485 является наилучшим среди последовательных интерфейсов для использования в промышленных распределенных системах, подключаемых к программируемому логическому контроллеру (PLC), графическому контроллеру (HMI) или другим контроллерам для сбора данных. Поскольку RS-485 является расширенным вариантом RS-422, все устройства RS-422 могут подключаться к шине, управляемой ведущим устройством RS-485. Типичные области применения для RS-485 аналогичны перечисленным выше областям применения RS-422, при этом более частое использование RS-485 объясняется его расширенными возможностями.
RS-485 – самый популярный промышленный интерфейс
Стандарт TIA/EIA-485 допускает использование RS-485 на расстоянии до 1200 м. На более коротких дистанциях скорости передачи данных – более 40 Мбит/с. Использование дифференциального сигнала обеспечивает интерфейсу RS-485 более высокую дальность, однако скорость передачи данных уменьшается по мере увеличения длины линии. На скорость передачи данных влияет также площадь сечения проводов линии и число устройств, подключенных к ней. При необходимости получения одновременно большой дальности и высокой скорости передачи данных рекомендуется использовать приемопередатчики RS-485 со встроенной функцией высокочастотной коррекции, например, MAX3291. Интерфейс RS-485 может использоваться в полудуплексном режиме с применением одной витой пары проводов или в дуплексном режиме с одновременными передачей и приемом данных, что обеспечивается использованием двух витых пар (четыре провода). В многоточечной конфигурации в полудуплексном режиме RS-485 способен поддерживать до 32 передатчиков и до 32 приемников. Однако микросхемы приемопередатчиков нового поколения имеют более высокий входной импеданс, что позволяет снизить нагрузку приемника на линию от 1/4 до 1/8 стандартного значения. Например, при использовании приемопередатчика MAX13448E число приемников, подключаемых к шине RS-485, может быть увеличено до 256. Благодаря расширенному многоточечному интерфейсу RS-485 имеется возможность построения сетей различных устройств, подключенных к одному последовательному порту, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Многоточечная полудуплексная приемопередающая система, используемая в промышленных приложениях
Рис. 3. Минимальные уровни сигналов в линии RS-485
Проблемы, связанные с использованием последовательного интерфейса в промышленной среде
Разработчики промышленных систем сталкиваются со сложными задачами по обеспечению их надежной эксплуатации в электромагнитной обстановке, способной вывести из строя оборудование или нарушить работу цифровых систем передачи данных. Одним из примеров подобных систем является автоматическое управление технологическим оборудованием на автоматизированном промышленном предприятии. Контроллер, управляющий процессом, измеряет его параметры, а также параметры окружающей среды, и передает команды исполнительным устройствам либо формирует аварийные оповещения. Промышленные контроллеры представляют собой, как правило, микропроцессорные устройства, архитектура которых оптимизирована для решения задач данного промышленного предприятия. Линии передачи данных топологии «точка-точка» в таких системах подвержены сильным электромагнитным помехам от воздействия окружающей среды.
Преобразователи постоянного напряжения, используемые в промышленном производстве, работают с высокими входными напряжениями и обеспечивают изолированные от входа напряжения для питания нагрузки. Для питания устройств распределенной системы, не имеющих собственного сетевого источника питания, используются напряжения 24 или 48 В DC. Питание оконечной нагрузки осуществляется напряжением 12 или 5 В, полученным путем преобразования входного напряжения. Системам, обеспечивающим связь с удаленными датчиками или исполнительными устройствами, требуется защита от переходных процессов, электромагнитных помех и разности потенциалов земли.
Многие компании, такие как Maxim Integrated, прилагают большие усилия, чтобы интегральные микросхемы для промышленных применений отличались высокой надежностью и устойчивостью к неблагоприятной электромагнитной обстановке. Приемопередатчики RS-485 производства компании Maxim содержат встроенные цепи защиты от высоковольтных электростатических разрядов и импульсных перенапряжений и обладают возможностью «горячей» замены без потери данных в линии.
Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий
Усиленная защита от ЭСР
Электростатический разряд (ЭСР) возникает при соприкосновении двух противоположно заряженных материалов, вследствие чего происходит перенос статических зарядов и формируется искровой разряд. ЭСР часто возникает при контакте людей с окружающими предметами. Искровые разряды, возникающие при небрежном обращении с полупроводниковыми приборами, могут существенно ухудшить их характеристики или привести к полному разрушению полупроводниковой структуры. ЭСР может возникнуть, например, при замене кабеля или простом прикосновении к порту ввода-вывода и привести к отключению порта вследствие выхода из строя одной или нескольких микросхем интерфейса (рисунок 4).
Рис. 4. Результат воздействия электростатического разряда на кристалл микросхемы с недостаточным уровнем защиты
Рис. 5. Упрощенная схема встроенной цепи защиты порта ввода-вывода от ЭСР
Подобные аварии могут приводить к значительным убыткам, так как повышают стоимость гарантийного ремонта и воспринимаются потребителями как следствие низкого качества продукта. В промышленном производстве ЭСР представляет собой серьезную проблему, способную причинить убытки в миллиарды долларов ежегодно. В реальных условиях эксплуатации ЭСР может привести к отказу отдельных компонентов, а иногда и системы в целом. Для защиты интерфейсов передачи данных могут использоваться внешние диоды, однако некоторые интерфейсные микросхемы содержат встроенные компоненты защиты от ЭСР и не требуют дополнительных внешних цепей защиты. На рисунке 5 показана упрощенная функциональная схема типовой встроенной цепи защиты от ЭСР. Импульсные помехи в сигнальной линии ограничиваются диодной схемой защиты на уровнях напряжения питания VCC и земли и, таким образом, защищают внутреннюю часть схемы от повреждений. Производимые в настоящее время микросхемы интерфейсов и аналоговые коммутаторы со встроенной защитой от ЭСР в основном соответствуют стандарту МЭК (IEC) 61000-4-2.
Компания Maxim Integrated инвестировала значительные средства в разработку микросхем с надежной встроенной защитой от ЭСР и в настоящее время занимает лидирующие позиции в производстве приемопередатчиков интерфейсов от RS-232 до RS-485. Данные устройства выдерживают воздействие испытательных импульсов ЭСР, соответствующих МЭК (IEC) 61000-4-2 и JEDEC JS-001, непосредственно на порты ввода-вывода. Решения компании Maxim в области защиты от ЭСР отличаются надежностью, доступностью, отсутствием дополнительных внешних компонентов и меньшей стоимостью по сравнению с большинством аналогов. Все микросхемы интерфейсов производства этой компании содержат встроенные элементы, обеспечивающие защиту каждого вывода от ЭСР, возникающих в процессе производства и эксплуатации. Приемопередатчики семейства MAX3483AE/MAX3485AE обеспечивают защиту выходов передатчиков и входов приемников от воздействия высоковольтных импульсов амплитудой до ±20 кВ. При этом сохраняется нормальный режим работы изделий, не требуется выключения и повторного включения питания. Кроме того, встроенные элементы защиты от ЭСР обеспечивают функционирование при включении и выключении питания, а также в дежурном режиме с низким энергопотреблением.
Защита от перенапряжений
В промышленных применениях входы и выходы драйверов RS-485 подвержены сбоям, возникающим в результате импульсных перенапряжений. Параметры импульсных перенапряжений отличаются от ЭСР – в то время как длительность ЭСР обычно находится в диапазоне до 100 нс, длительность импульсных перенапряжений может составлять 200 мкс и более. Причинами возникновения перенапряжений могут быть ошибки проводного монтажа, плохие контакты, поврежденные или неисправные кабели, а также капли припоя, которые могут образовывать токопроводящее соединение между силовыми и сигнальными линиями на печатной плате или в разъеме. Поскольку в промышленных системах электропитания используются напряжения, превышающие 24 В, воздействие таких напряжений на стандартные приемопередатчики RS-485, не имеющие защиты от перенапряжений, приведет к их выходу из строя в течение нескольких минут или даже секунд. Для защиты от импульсных перенапряжений обычные микросхемы интерфейса RS-485 требуют дорогостоящих внешних устройств, выполненных на дискретных компонентах. Приемопередатчики RS-485 со встроенной защитой от перенапряжений способны выдерживать синфазные помехи в линии передачи данных до ±40, ±60 и ±80 В. Компания Maxim производит линейку приемопередатчиков RS-485/RS-422 MAX13442E…MAX13444E, устойчивых к постоянным напряжениям на входах и выходах до ±80 В относительно земли. Элементы защиты функционируют независимо от текущего состояния микросхемы, – включена ли она, выключена или находится в дежурном режиме, – что позволяет характеризовать данные приемопередатчики как наиболее надежные в отрасли, идеально подходящие для промышленных применений. Приемопередатчики производства компании Maxim сохраняют работоспособность при перенапряжениях, обусловленных замыканием силовых и сигнальных линий, ошибками проводного монтажа, неправильным подключением разъемов, дефектами кабелей и неправильной эксплуатацией.
Устойчивость приемников к неопределенным состояниям линии
Возможность «горячей» замены
Рис. 6. Упрощенная структурная схема защиты входа DE при горячей замене
Схема с «горячей» заменой исключает появление ложных импульсов в линии передачи данных при инициализации интерфейсного устройства или подключения его к объединительной панели. Схемы ограничения тока короткого замыкания и отключения по перегреву защищают приемопередатчик от чрезмерно большой рассеиваемой мощности. Горячая замена плат приемопередатчиков может вызвать нежелательные переходные процессы на линиях DE, DE/RE, RE и входах приемников A и B, которые могут привести к ошибкам в передаче данных. Например, при первоначальной установке платы процессор выполняет операции запуска по включению питания. В этом интервале времени выходы передатчика находятся в высокоимпедансном состоянии, что не позволяет им установить детерминированные уровни сигналов на входе приемника. В то же время ток утечки высокоимпедансного выхода на уровне 10 мкА или паразитная емкостная связь с цепями питания или земли могут создать напряжение смещения на входе приемника, которое будет воспринято им как неверное логическое состояние. Микросхемы приемопередатчиков MAX3440E/MAX3443E содержат встроенную схему удержания постоянных уровней линий DE, DE/RE и RE при «горячей» замене. При нарастании напряжения питания VCC внутренняя схема смещает уровень сигнала DE к земле (к напряжению питания для линии RE) и удерживает его не менее 10 мкс до тех пор, пока втекающий ток DE превышает 200 мкА. После этапа первоначального запуска по включению питания схема удержания уровней отключается и пропускает сигнал напрямую. Структурная схема защиты входов при горячей замене на примере входа DE показана на рисунке 6.
Во входной цепи разрешения работы приемопередатчика (DE) имеется два N-канальных МОП-транзистора – M1 и M2. При подаче питания VCC внутренний таймер на 15 мкс открывает транзистор M2 и устанавливает RS-триггер, который открывает также M1. Транзисторы M2 и M1 с токовыми стоками 2 мА и 100 мкА соответственно, смещают потенциал DE к земле через резистор 5,6 кОм. Транзистор M2 способен удерживать вывод DE в отключенном состоянии при внешней паразитной емкости до 100 пФ. По истечении 15 мкс таймер закрывает M2, а M1 остается открытым, удерживая низкий уровень DE, что препятствует смещению потенциала DE к высокому уровню вследствие токов утечки высокоимпедансных выходов передатчиков. M1 остается включенным до тех пор, пока ток внешнего источник тока не превысит требуемый входной ток. В этот момент RS-триггер сбрасывается и закрывает M1, при этом DE становится стандартным высокоомным КМОП-входом. При уменьшении VCC ниже 1 В вход отключается. Комплиментарная схема входа RE использует два P-канальных МОП-транзистора для смещения уровня RE к потенциалу VCC.
Заключение
Промышленные системы, в частности, автоматизированные производства, функционируют в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки, поэтому разработчику системного уровня необходимо учитывать наличие паразитных напряжений, возникающих при переходных процессах, и разрабатывать оборудование, устойчивое к внешним воздействиям. В большинстве сетей передачи данных используется наиболее надежный из последовательных интерфейсов – RS-485. Современные микросхемы приемопередатчиков RS-485 содержат встроенные элементы, реализующие усиленную защиту от электростатического разряда, защиту от перенапряжений и возможность горячей замены, что предохраняет микросхемы интерфейса RS-485 от неблагоприятных внешних воздействий, поддерживая тем самым высокую надежность системы передачи данных.