Port komunikacyjny RS-485.

Port komunikacyjny RS-485.
Wprowadzenie
RS232, RS422, RS423 i RS485 to porty komunikacji szeregowej dla komputerów i innych urządzeń.
RS232 jest bez wątpienia najbardziej znanym interface'em, ponieważ jest standardowo stosowany w
dostępnych dziś komputerach osobistych. Ale inne typy złączy szeregowych są również interesujące, ponieważ znajdują
zastosowanie tam, gdzie z różnych powodów nie sprawdzają się właściwości złącza RS232. My skoncentrujemy się na
łączu szeregowym RS485.
RS232 jest łączem szeregowym pomiędzy jednym urządzeniem DTE, (data terminal equipment) a innym DCE, (data
communication equipment) przy maksymalnej prędkości transmisji 20 kbps, i przy maksymalnej długości połączenia
15m. To było wystarczające w systuacji, gdy większość dotychczas eksploatowanych urządzeń wykorzystywała łącza
modemowe. Obecnie rozglądamy się nad wykorzystaniem zupełnie nowych technologii i możliwości:




Połączenie urządzeń typu DTE bezpośrednio, bez wykorzystywania modemu,
Połączenie wielu urządzeń DTE w strukturze sieciowej,
Umożliwienie realizacji połączeń na dużych odległościach,
Umożliwienie realizacji połączeń z dużymi prędkościami transmisji danych.
RS485 jest najbardziej wszechstronnym standardem dla tych wymagań. i znajduje zastosowanie w przypadku
systemów zbierania danych i sterowania rozproszonego, gdzie mamy do czynienia z licznymi węzłami
komunikacyjnymi, nawiązującymi połączenia typu "każdy z każdym".
Różnicowe sygnały w RS-485 - Większe odległości i szybsza transmisja:
Głownym problemem w przypadku komunikacji RS232 jest duże oddziaływanie zakłóceń na tor sygnałowy. Nadajnik i
odbiornik porównują potencjały sygnałów data i handshake ze wspólną masą sygnałową. Zmiany potencjału masy
sygnałowej, jako punktu odniesienia, dają silny efekt zakłóceń. Dlatego też, poziom przełączający łącza RS232 jest
ustawiony jako ±3 Volt. Łatwo powstający na złączu szum limituje zarówno maksymalną długość połączenia jak
również prędkość transmisji. Przeciwnie dla złącza RS485, gdzie różnica w potenacjale masy sygnałowej nie daje
takiego efektu. Nawet kilka woltów różnicy na potencjale "masy" nie zakłóca wartości sygnałów. Sygnały portu RS485
są zmienne i przenoszą się jako różnica potencjałów pomiędzy Sig+ i Sig-. Odbiornik RS485 porównuje różnicę
potencjałów pomiędzy oboma sygnałami, zamiast wartości bezwzględnych potencjałów względem masy sygnałowej.
Taka praca łącza zabezpiecza przed powstawaniem zakłóceń generowanych na potencjale masy, co jest główną
przyczyną problemów komunikacyjnych. Najlepsze rezultaty uzyskuje się, gdy sygnały Sig+ i Sig- są parą skrętną.
Rysunek poniżej wyjaśnia dlaczego.
Szumy w kablu prostym i skrętnym.
Schematyczny rysunek przedstawia generowane w przestrzeni pole magnetyczne. Widoczne jest pole powstające od
przewodu sygnałowego i pole szumów w złączu RS485 , które są wynkiem pierwotnego pola magnetycznego. W kablu
prostym, wszystkie pola szumów zwrócone są w tym samym kierunku, praktycznie generując poziom szumów jak
zwykły transformator (sumuje się pole magnetyczne).
W przypadku kabla skrętnego widzimy, że w jednej jego części kierunek linii pola szumów jest przeciwny do linii tego
pola w innych częściach kabla. Z tego powodu wartość wypadkowa pola szumu jest wielokrotnie mniejsza niż w
zwykłym kablu prostym. Ekranowanie kabla sygnałowego RS232, które jest podstawową metodą ochrony przed
zakłóceniami, pozwala utrzymać wartość i kierunek głównego pola sygnałowego w ramach całego kabla. Para skrętna
w połączeniu RS485 znacznie skuteczniej zwalcza negatywne oddziaływanie czynników zewnętrznych. Główne pole
sygnałowe nie jest tak zniekształcane przez zakłócenia. Kiedy niezbędna jest wyjątkowa odporność na zakłócenia
zewnętrzne, stosuje się zarówno skrętność kabla sygnałowego jak i ekran zewnętrzny jako STP, (shielded twisted pair)
i FTP, (foiled twisted pair). Kable sygnałowe RS485 są skrętne również dla zwielokrotnienia długości skutecznego
połączenia sygnałowego względem klasycznego, prostego RS232. W tym przypadku taki bezpieczny zakres długości
połączenia sięga 1200 metrów.
Złącza wykorzystujące różnicę potencjałów na liniach sygnałowych pozwalają również na znacznie większą prędkość
transmisji, która limitowała połączenie RS232. Obecnie nadajniki RS485 pozwalają uzyskać prędkości do 35 Mb/s.
Charakterystyka RS485 w porównaniu do RS232, RS422 i RS423.
Porównanie portów RS232, RS422, RS423 i RS485
RS232
RS423
RS422
RS485
nie
nie
tak
tak
1
1
1
10
1
10
32
32
half
duplex
half
duplex
half
duplex
point-topoint
multidrop
multidrop
multipoint
15 m
1200 m
1200 m
1200 m
Max prędkość dla 12 m
Max prędkość dla 1200 m
20 kbs
(1 kbs)
100 kbs
1 kbs
10 Mbs
100 kbs
35 Mbs
100 kbs
Max stromość zbocza sygnału
30 V/µs
strojona
n/a
n/a
Rezystancja wejścia odbiornika
3..7 kΩ
4 kΩ
4 kΩ
12 kΩ
Impedancja wyjścia nadajnika
3..7 kΩ
450 Ω
100 Ω
54 Ω
Równoległy
Max liczba nadajników
Max liczba odbiorników
Mod pracy
Topologia sieci
Max długość połączenia
half duplex
full duplex
Czułość wejścia odbiornika
±3 V
±200 mV
±200 mV
±200 mV
Zakres wejścia odbiornika
±15 V
±12 V
±10 V
–7..12 V
Max napięcie wyjściowe nadajnika
±25 V
±6 V
±6 V
–7..12 V
Min napięcie wyjściowe odbiornika pod
obciążeniem
±5 V
±3.6 V
±2.0 V
±1.5 V
Dane z tabeli mówią same za siebie. Widać wyraźnie, że prędkość komunikacji w RS422 i RS485 są daleko wyższe niż
w standardach RS232 i RS423. Widzimy również, żę maksymalna stała czasowa na łąćzu przypada na RS232 i RS423.
To nasuwa refleksję na temat tych połączeń sygnałowych. Maksymalna wartość stałej czasowej limituje maksymalną
prędkość transmisji na linii. Dla obu pozostałuch typów portów RS422 i RS485 stała czasowa sygnału jest
nieokreślona. Oznacza to, że dla długich połączeń konieczne jest stosowanie rezystorów terminujących linię sygnałową.
Widzimy również, że maksymalne dopuszczalne poziomy napięć dla wszystkich typów połączeń są w tym samym
przedziele wartości, ale poziom sygnału jest niższy dla szybszych interfejsów. Z tego powodu RS485 i inne mogą być
użyte w sytuacji, przesunięcia poziomu masy sygnałowej o kilka woltów, gdy jednocześnie poziom przełączenia z
logicznego "0" na logiczną "1" to zaledwie kilkaset miliwoltów.
Interesujące jest, że RS232 jest jedynym połączeniem, spełniającym warunki komunikacji "full duplex". Jest tak,
ponieważ w innych połączeniach kanał komunikacyjny jest współdzielony dla wielu odbiorników, w przypadku RS485
przez wiele nadajników. RS232 ma dedykowaną linię do transmisji i odbioru, co z dobrze napisanym protokułem
komunikacyjnym owocuje przyzwoitą prędkością transmisji na tle innych połączeń. Ządanie i potwierdzenie danych nie
kosumuje całego pasma transmisyjnego na podstawowym kanale transmisyjnym RS232.
Topologia sieci dla RS485
Budowa sieci jest prawdopodobnie główną przyczyną, dla której RS485 jest obecnie faworytem w zastosowaniach
zbierania danych i sterowania rozproszonego. RS485 jest jedynym z interfejsów stosującym różnorodne nadajniki i
odbiorniki w tej samej sieci. Kiedy używamy typowego połączenia w RS485 odbiorników o wejściowej rezystancji
12 kΩ istnieje mozliwość połączenia 32 urządzeń w sieci. Dostępne obecnie urządzenia o wysokiej impedancji wejść
pozwalają zwiększyć liczbę urządzeń do 256. Dostępne są również przekładniki / wzmacniacze RS485, które pozwalają
rozszerzyć sieć do liczby kilku tysięcy urządzęń połączonych na przestrzeni wielu kilometrów. Ważnym jest, żę
budowa urządzeń RS485 nie wymaga stosowania zaawansowanego hardware'u, a oprogramowanie nie jest bardziej
skomplikowane niż dla klasycznego portu RS232. Wszystko to powoduje, że RS485 jest tak popularne w technice
komputerowej, sterownikach programowalnych, mikrokontrolerach oraz wielu inteligentnych czujnikach stosowanych
w technice sterowania i kontroli procesów technologicznych.
Topologia sieci RS485
Na powyższym rysunku przedstawiona jest generalna struktura połączenia komunikacyjnego RS485. N węzłów
połączonych jest w topologię "multipoint" sieciRS485. Dla zwiększenia prędkości transmisji i możliwości
odległościowych, stosuje sie rezystory ograniczające po obu końcach lnii, eliminujące odbicia fali pola sygnałowego.
Zwykle, po obu stronach linii sygnałowej przyłącza się rezystory 100 Ω. Struktura sieci RS485 musi być projektowana
jako "wielowęzłowa" (rozproszona), nie "gwiaździsta" (scentralizowana). Sumaryczna, maksymalna długośc połączeń
sygnałowych w układzie "gwiazdy" jest mniejsza, a mimo to jakość sygnału spada znacząco pomimo zastosowania
terminatorów.
Funkcjonalność RS485
Teraz najważniejsze pytanie - jak połączenie RS485 działa w praktyce? Zwykle wszystkie nadajniki RS485 są
trzystanowe (z trzecim stanem tzw. wysokiej impedancją wyjścia. Wowczas jeden z węzłów jest definiowany jako
"master", który rozsyła zapytania i komendy dla całej magistrali. Wszystkie pozostałe węzły odbierają te dane. W
zależności od informacji zawartej w rozsyłanych danych, żaden, jeden lub kilka węzłów odpowiada do "mastera". Taka
transmisja jest całkowicie bezkolizyjna. W tej sytuacji szerokość pasma transmisji danych jest wykorzystana w 100%.
Może być też inna sytuacja w wykorzystaniu połączenia RS485, kiedy to każdy węzeł może uruchomić proces
przetwarzania danych dla "samego siebie". Taka funkcjonalność podobna jest do zasady działania sieci ethernet. i
stwarza możliwość powstawania "kolizji". Teoria mówi, że w takim przypadku wykorzystywane jest zaledwie 37%
szerokości pasma transmisyjnego. Na skutek takiego zjawiska istnieje potrzeba detekcji i obsługi błędów transmisji na
poziomie protokołu, co z kolei oznacza konieczność kontroli ewentualnego "uszkodzenmia" pakietu danych i np.
ponownego ich wysłania w późniejszym czasie.
Nie ma potrzeby, aby driver programowy RS485 przełączał nadajniki w stan ON lub OFF. Nadajniki automatycznie
ustawiają się w trzecim stanie wysokiej impedancji i to zaledwie w kilka mikrosekund po wysłaniu pakietu danych w
magistralę RS485. Właściwości połączenia decydują również o tym, że nie ma potrzeby stosowania opóźnienia
pomiędzy poszczególnymi wysyłanymi pakietami danych.
RS485 jest używany jako warstwa elektryczna w wielu znanych standardach połączeniowych, w tym takich jak
Profibus i Modbus. Dlatego też RS485 bedzie używany jeszcze przez wiele lat w przyszłości.