Интерфейсный разъем 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.

В современной технике все большее значение приобретает обмен информацией между различными устройствами. А для этого требуется передавать данные как на небольшие расстояния, так и на значительные, порядка километров. Один из таких видов передачи данных – связь между устройствами по интерфейсу RS-485.

Где необходимо передавать данные по RS 485.

Один из самых распространенных примеров применения устройств для обмена данными – дистанционные системы учета электроэнергии. Электросчетчики, объединяемые в единую сеть, рассредоточены по шкафам, ячейкам распределительных устройств и даже подстанциях, находящимся на значительном удалении друг от друга. В этом случае интерфейс служит для отправки данных от одного или нескольких устройств учета.

Система «один счетчик – один модем» активно внедряется для передачи данных в службы энергосбытовых компаний от узлов учета частных домов, небольших предприятий.

Другой пример: получение данных от микропроцессорных терминалов релейной защиты в режиме реального времени, а также централизованный доступ к ним с целью внесения изменений. Для чего терминалы обвязываются через интерфейс связи аналогичным образом, а данные от него поступают в компьютер, установленный у диспетчера. В случае срабатывания защиты оперативный персонал имеет возможность сразу же получить информацию о месте действия и характере повреждения силовых цепей.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Но самой сложной задачей, решаемой интерфейсами связи, являются системы централизованного управления сложными производственными процессами – АСУ ТП. У оператора промышленной установки на столе есть компьютер, на дисплее которого он видит текущее состояние процесса: температуры, производительность, включенные и отключенные агрегаты, их режим работы. И имеет возможность всем этим управлять легким щелчком мыши.

Компьютер же обменивается данными с контроллерами – устройствами, преобразующими команды от датчиков на язык, понятный машине, и обратное преобразование: от языка машины в команды управления. Связь с контроллером, а также – между разными контроллерами, осуществляется через интерфейсы связи.

Интерфейс RS-232 — младший брат RS 485.

Нельзя хотя бы коротко не упомянуть об интерфейсе RS-232, который еще называют последовательным. Разъем под соответствующий порт имеют некоторые ноутбуки, а некоторые цифровые устройства (те же терминалы релейной защиты) снабжаются выходами для связи с помощью RS-232.

Для того, чтобы обмениваться информацией, нужно уметь ее передавать и принимать. У RS-232 для этого есть передатчик и приемник сигналов. Они имеются в каждом устройстве. Причем выход передатчика одного устройства (TX) соединяется со входом приемника другого устройства (RX). И, соответственно, по другому проводнику аналогичным образом сигнал движется в обратную сторону.

При этом обеспечивается полудуплексный режим связи, то есть, приемник и передатчик могут работать одновременно. Данные по кабелю RS-232 могут в одно и то же время перемещаться и в одну, и в другую сторону.

Недостаток этого интерфейса – низкая помехозащищенность. Это происходит из-за того, что сигнал в соединительный кабель и на прием, и на передачу формируется относительно общего провода – земли. Любая наводка, существующая даже в экранированном кабеле, может привести к сбою связи, потере отдельных битов информации. А это недопустимо при управлении сложными и недешевыми механизмами, где любая ошибка – авария, а потеря связи – длительный простой.

Поэтому RS-232 в основном применяется для небольших временных подключений ноутбука к цифровому устройству, например, для установки начальной конфигурации или исправления ошибок.

Организация интерфейса RS-485.

Главное отличие RS-458 от RS-232 – все приемники и передатчики работают на одну пару проводов, являющуюся линией связи. Провод земли при этом не используется, а сигнал в линии формируется дифференциальным методом. Он передается одновременно по двум проводам («А» и «В») в инверсном виде.

Если на выходе передатчика – логический «0», то на проводник «А» выдается нулевой потенциал. На проводнике «В» формируется сигнал «не 0», то есть – «1». Если передатчик транслирует «1», получается все наоборот.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В итоге получаем изменение напряжения сигнала между двумя проводами, представляющими собой витую пару. Любая наводка, попадая в кабель, изменяет напряжение относительно земли одинаково на обоих проводах пары. Но напряжение полезного сигнала формируется между проводами, а поэтому – ничуть не страдает от потенциалов на них.

Порядок обмена данными между устройствами по RS-485.

Все устройства, объединяемые интерфейсом RS-485, имеют всего два клеммы: «А» и «В». Для подключения к общей сети эти клеммы соединяются в параллельную цепь. Для этого от одного устройства к другому прокладывается цепочка кабелей.

При этом возникает необходимость упорядочить обмен данными между устройствами, установив очередность передачи и приема, а также – формат пересылаемых данных. Для этого служит специальная инструкция, называемая протоколом.

Протоколов обмена данными по интерфейсу RS-485 существует много, наиболее часто используемый – Modbas. Вкратце рассмотрим, как работает простейший протокол, и какие еще проблемы приходится решать с его помощью.

Для примера разберем сеть, в которой одно устройство собирает данные с нескольких источников данных. Это может быть модем и группа электросчетчиков. Для того, чтобы знать, от какого счетчика пойдут данные, каждому приемопередатчику присваивается номер, уникальный для данной сети. Номер присваивается и приемопередатчику модема.

Когда приходит пора собирать данные о расходе электроэнергии, модем формирует запрос. Сначала передается стартовый импульс, по которому все устройства понимают, что сейчас придет кодовое слово – посылка из последовательности нулей и единиц. В ней первые биты будут соответствовать номеру абонента в сети, остальное – данные, например, команда передать требуемую информацию.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Все устройства принимают посылку и сравнивают номер вызываемого абонента со своим собственным. Если они совпадают – выполняется команда, переданная в составе запроса. Если нет – устройство игнорирует его текст и не делает ничего.

При этом во многих протоколах посылается назад подтверждение, что команда принята к исполнению или выполнена. Если ответа нет, передающее устройство может повторить запрос определенное количество раз. Если реакции так и не последует, генерируются сведения об ошибке, связанные с неисправностью канала связи с молчащим абонентом.

Ответа может не последовать не только при поломке. При наличии сильных помех в канале связи, которые все-таки проникают туда, команды могут не доходить до пункта назначения. Еще они подвергаются искажениям и не правильно при этом распознаются.

Неверного выполнения команды допустить нельзя, поэтому в данные посылки вводят заведомо избыточную информацию – контрольную сумму. Она подсчитывается по определенному закону, прописанному в протоколе, на передающей стороне.

На приемной подсчитывается контрольная сумма по такому же принципу и сравнивается с переданной. Если они совпадают, прием считается успешным, и команда выполняется. Если нет – устройство пересылает на передающую сторону сообщение об ошибке.

Требования к кабельным соединениям.

Для соединения устройств интерфейсом RS-485 используются кабели «витая пара». Хоть для передачи данный достаточно одной пары проводов, обычно применяются кабели минимум с двумя, чтобы был заложен резерв.

Для лучшей защиты от помех кабели экранируются, при этом экраны на всей линии соединяют друг с другом. Для этого на объединяемых устройствах помимо выводов «А» и «В» имеется клемма «СОМ». Заземляется линия только в одной точке, обычно в месте расположения контроллера, модема или компьютера. В двух точках это делать запрещено, чтобы избежать наводок, которые неизбежно пойдут по экрану из-за разности потенциалов в точках заземления.

Кабели соединяют только последовательно друг с другом, делать ответвления нельзя. Для согласования линии в ее конце подключается резистор с сопротивлением 120 Ом (это волновое сопротивление кабеля).

В целом монтаж кабельных линий интерфейса – простое занятие. Гораздо сложнее будет настроить аппаратуру, для чего понадобятся люди со специальными знаниями.

Последнее время я делаю по большей части промышленные устройства и все чаще там используется именно RS-485. Потому как он используется как физический для множества протоколов, принятых в проме, таких, например, как MODBUS или ProfiBUS.

▌Принцип работы
Интерфейс RS485 хорош тем, что он, по сути дела, является дифференциальным вариантом RS-232 и его можно вешать на банальный USART любого микроконтроллера.

Физически он состоит из двух линий связи. А и B. Наличие земли желательно, но вовсе не обязательно. Отсутствие земли чаще всего чревато тем, что входящие данные будут иногда начинаться с нуля. Т.е. шлешь строку 0xBA 0xDF 0xF0 0x0D, а приходит 0х00 0xBA 0xDF 0xF0 0x0D, а дальше все нормально.

Исходный входной сигнал разделяется на два сигнала и они улетают вдаль по двум свитым проводам, витой паре.

По линии А идет прямой UART, как он есть, а по линии В его зеркальная копия. А в приемнике, на дифференциальном операционном усилителе, одно вычитается из другого и получается исходный сигнал.

Зачем это сделано? Зачем вообще такие сложности? Линия может длиться километры, да, для RS485 длина сегмента допускается до 1200 метров. На таком расстоянии сигнал, если его послать по одному проводу и земле, упадет на сопротивлении линии и до приемника дойдут считанные доли вольта. Тут же, у нас компаратор на входе усилит разность сигнала даже крошечной величины, восстановив исходный сигнал. Нет нужды четко соглассовывать уровень земли приемника и передатчика, на большом расстоянии это может быть тяжело решаемой задачей.

Это первое, но куда более важным является то, что таким образом намного увеличивается помехозащищенность самой линии. Ведь если рядом будет какая-то электромагнитная помеха, которая наведет на наш длиннющий провод колебание напряжения, то, так как оба провода идут рядом, во втором проводе наведется ТОЧНО такая же помеха. А поскольку у нас на входе сигнал разностный А-B, из помехи в проводе А будет вычтена такая же помеха в проводе В и она обнулится.

Естественно по данной линии связи передача может идти только в одну сторону. Т.е. RS485 у нас полудуплексный. Мы вначале в него орем, а потом слушаем что нам ответили с другой стороны. Общаться в обе стороны, как в UART по Rx и Tx не выйдет. Ну или придется пускать уже четыре провода, одна для передачи, другая для приема.

В обычно в трансивере 485 интерфейса передатчик и приемник в одном корпусе, на одной линии, а направление выбирается ногой, уровень на которой определяет в каком режиме микросхема в приеме или в передаче.

На одной линии может висеть несколько приемников и передатчиков. Они подключаются просто параллельно.

Разумеется общаться они могут строго по одному и общий галдеж в линии приведет к полной неработоспособности всей сети. Никакого аппаратного арбитража на основе «приоритета нуля», как в I2C тут нет.

Способы разрешения конфликтов тут исключительно программно логические. Например, все участники договариваются, что общаются по очереди и каждый после передачи выдает спец сообщение, говорящее о том, кто следующий имеет право сообщить в линию, как микрофон передают в зале по кругу. Если принявшему свой номер сказать нечего, то он обязан передать хотя бы служебное сообщение о том, что теперь может говорить следующий.
Когда передатчик один, а остальные приемники, как часто бывает у меня, то вначале шлем адрес, все его принимают и только тот кому адресовано это сообщение его обрабатывает, остальные же отправляют его в никуда. Короче, способов много и все это давно изобретено. Остается только погуглить всякие методы вроде Token Ring и сами разберетесь 🙂

Она подключается к USART микроконтроллера и еще нужна одна нога, чтобы указывать направление обмена. Прием у нас или передача.

Кроме микросхемы конвертера, содержащей в себе два компаратора-усилителя, нужные еще два резистора подтяжки и один терминатор, они задают первоначальное смещение линии и подавляют отражение.

Разберемся сначала с резистором-терминатором.

Сигнал идет по проводу быстро, но не мгновенно, более того, он дойдя до конца линии может отразиться и пойти обратно. Как вода в желобе, пускаешь по желобу волну, волна дошла до стенки и пошла обратно. И эта волна может столкнуться с волной следующего импульса, смешаться и получить полную кашу на выходе. Разумеется эти эффекты возникают только при длинных линиях (В ТОЭ прям есть раздел такой — длинные линии, разбирающий все эти волновые эффекты), либо на высоких частотах. Так как с ростом частоты «длинной» может стать линия даже в 5см, например, когда речь идет о гигагерцах.

Поскольку у нас RS485 может работать до скорости вплоть до 10Мбит, а дальность свыше километра, то такие эффекты могут возникнуть. Чтобы подавить отраженную волну и нужен резистор-терминатор. Он стоит у приемника между линиями А и В. Его сопротивление обычно 120ом. Это не спроста так, все дело в том, что волновое сопротивление витой пары, как правило, 120 ом и чтобы погасить волну резистор должен быть с ней согласован.

Но если у вас скорость 9600, а дальность десяток метров, то на это можно смело забить. В этом случае терминатор может даже мешать, излишне нагружая линию низкоомным сопротивлением. Но я все равно всегда развожу его и если не нужно, то просто не впаиваю.

Теперь о подтяжках. Они, как бы, опциональные, будет работать и без них, но лучше их поставить. Хотя бы на первом и последнем устройстве линии. Чтобы линию не телепало помехами и не генерировало вам непонятные сообщения. Подтяжка защитит нас от хаотичных данных при обрыве линии, например.
Конечно у приемника есть гистерезис, примерно на 200мв, т.е. разность между А и В меньше 200мВ не учитывается как сигнал, и на выходе будет 1, но все равно лучше подстраховаться.

Линию А подтягиваем вверх, а линию В вниз. Через резисторы в 1.2кОм с обеих концов.

Единственно, что у такого решения есть минус — через эти резисторы будет всегда течь ток и увеличивать потребление. Что может быть критичным для систем с батарейным питанием, но использующем RS485. Странная экзотика, но чего в жизни не бывает?

В этом случае можно использовать микросхемы с системой true failsafe, например MAX3080. Она позволяет отказаться от резисторов смещения, т.к. они мало того, что встроены в микросхему, так еще и пороги срабатывания там другие. И при обрыве или КЗ линии будут гарантировано давать 1 на выходе.

▌Защита
Так как линия у нас длинная, то на нее наводится всякая фигня. И естественно она прилетает нам в схему, учиняя беспредел. Первое с чем стоить бороться — перенапряжения. Для защиты от этого применяют супрессоры. Это такие мощные стабилитроны, часто собранные в одном корпусе встречно друг другу. И при превышении напряжения они открываются и стравливают перенапряжение в землю или питание, смотря как включено. А там с этой энергией разберутся конденсаторы и блок питания.

Разумеется поможет это только от кратких перенапряжений, от помех. От длительных перенапряжений нужны уже предохранители. Плавкие или самовосстанавливающиеся. Т.е. если что-то начало нам гнать в линию высокое напряжение, то вначале сработает супрессор, высадив его на землю, а потом выжгется предохранитель. Я использую SMBJ-5.0 супрессоры.

Также я ставлю варистор между А и В. Можно и двунаправленный супрессор поставить, но варистор компактней. Это резистор который пробивается на высоком напряжении. Резко уменьшая свое сопротивление с мегаомов до десяток ом. А потом вновь становится обрывом. У меня под это дело чтото вроде JMV0805S5R6T661 который открывается от 5.6 вольт и способен пережить 40А в пике.

Последнее время я не экономлю и делаю полноценную развязку интерфейсной части. Ставя туда питание на AM1D-0505SZ и изолируя интерфейс через ADM2483. Это RS485 трансивер со встроенной опторазвязкой.

Работает просто песня 🙂

▌Кабель, земля и экран
Вообще, на короткие расстояния, десятки метров, и при небольшой скорости, по 485 интерфейсу можно гнать сигнал через любое говно. Даже через старую, советскую плоскую телефонную лапшу. На практике же, для физического уровня приходится использовать все что под руку попадается и уже проложено на объекте. Например, кабель видеонаблюдения, с волновым сопротивлением в 75 Ом, но ему требуются низкоомные же терминаторы в 75 Ом, что снижает количество девайсов на одном сегменте — трансивер просто не вытащит по току. Второй популярный пример — комповая витуха, у ней волновое сопротивление 100Ом, что уже лучше. И сами кабели дешевые, но у них тонкая жила и по этому высокое сопротивление. Есть и специализированный кабель для RS485 с волновым сопротивлением в 120Ом, как по стандарту. Правда он дорогой, не всегда доступен и зачастую не нужен 🙂

Для улучшения качества передачи данных хорошо бы использовать экранированный провод. При этом оплетка кабеля подключается к заземлению, а к GND через резистор ом в сто (в случае опторазвязки — к изолированной GND) с одной стороны (!!!!) только с одной стороны! Чтобы не было протекания разных токов по ней.

Если же у нас есть земляной провод, то можно задействовать и его. В данном случае его называют дренажным. Его задача уравнивать потенциалы земель. И он подключается к земле устройства (при опторазвязке к изолированной земле) через сопротивление в сотню ом. Резистор тут надо выбирать хотя бы на пол ватта.

▌Борьба с граблями
Ну и напоследок еще парочка мелких граблей на которые можно наступить, так что лучше их сразу убрать. В момент передачи, микросхема MAX485 держит выход DO в HiZ, и вам туда может нателепать разного мусора. Поэтому линию RxD микроконтроллера подтягиваем к питанию. Либо включаем подтяжку внутри контроллера. Но я всегда это делаю внешним резистором. Надежней.

А линию DE/RE следует подтягивать к нулю. Зачем? А чтобы пока контроллер не стартанул, не проинициализировался и не привел свои ноги в нужный режим этот вывод не телепался без дела и не слал в линию разный мусор.

При перед передачей никогда не помешает сделать синхронизацию кадров. Т.е. передачи нет, все участники сети сидят и слушают. И вдруг какая-то помеха пробилась и сделал старт бит в линию. Естественно все «слушатели» начнут принимать данные и получат мусор. Да хоть тот самый ноль, о котором я выше говорил. Чтобы им и ограничилось крайне желательно сделать следующее. Переводим линию прием/передача в режим передачи, при этом у нас на TxD единичка, т.к. мы еще ничего не шлем. Но драйвер RS485 при этом выдаст уже уровни в линию. Ждем паузу, равную времени передачи двух трех байтов, чтобы весь мусор прошел и не затесался в нашу передачу и только после этого засылаем первый байт нашей передачи в UART. Это повышает надежность и качество передачи на порядок.

А еще не помешает контроль четности, и прочие методы анализа качества принятых данных. Расскажу об этом вследующий раз, когда буду разбирать MODBUS.

Устройства с RS232, RS422, RS485 в ассортименте АВЕОН

Мультипортовые платы

Работа RS485 в режиме полудуплекс (используются 2 контакта)