RS-485

RS-485
Стандарт	EIA/TIA-485 (RS-485)
Физическая среда	Витая пара
Сетевая топология	Точка-точка, Multi-dropped, Multi-point
Максимальное количество устройств	32—256 устройств (32 нагруженных)
Максимальное расстояние	1200 метров
Режим передачи	Дифференциальный сигнал (балансный)
Максимальная скорость передачи	0,1—10 Мбит/с
Напряжение	–7 В до +12 В
(1, MARK)	(A–B) < −200 мВ (отрицательное напряжение)
(0, SPACE)	(A–B) > +200 мВ (положительное напряжение)
Сигналы	Tx+/Rx+, Tx-/Rx- (Полудуплексный) Tx+, Tx-, Rx+, Rx- (Дуплексный)
Тип разъема	Не специфицирован

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Название стандарта: ANSI TIA/EIA-485-A:1998 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.

Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA — Electronic Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA — Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (англ. Recommended Standard — Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Технические характеристики интерфейса RS-485

В международном стандарте EIA/TIA-485 заложено два физических архитектуры обмена Full duplex (Полный дуплекс) и Half duplex и (Полудуплекс) соответственно две витые пары или одна витая пара.

И конечно, практически всегда, сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом для выравнивания потенциалов передатчика и приемника.

Тут надо пояснить: Передатчик это дифференциальный усилитель а приемник операционный усилитель или точнее компаратор и отсутствие выравнивания нулей устройств влияет на качество обмена вплоть до обрывов связи.

Принципиальные различия в применении указанных физических архитектур обмена в следующем:

Full duplex это всегда один МАСТЕР и множество ведомых и обмен возможен только от мастера к ведомым и обратно, но выигрыш в скоростях обмена более чем в 2 раза. Гальваническую развязку, на линии с фиксированным направлением данных, поставить проще.

Half duplex это возможность обмена между любыми устройствами в любых комбинациях. ( как это реализовано в CAN ) Применять Half duplex для организации такого обмена, при наличии стандарта CAN с его аппаратном арбитраже, это изобретать велосипед заново.

В архитектуре обмена с одним мастером эффективней Full duplex. Применение в такой ситуации Half duplex оправдано в двух ситуациях:

1- Провесовка объемов в разных направлениях 1% к 99% - (передать массив - получить квиток) или ( короткий запрос - ответ массивом)

2-Нужно экономить количество проводов (при длинных линиях) и соответственно низкая скорость обмена.

Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса. Стандарт RS-485 не оговаривает:

• параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений, отражения в длинных линиях);
• типы соединителей и кабелей;
• гальваническую развязку линии связи;
• протокол обмена.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485

• Поддерживаются до 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.
• Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.
• В один момент активным может быть только один передатчик.
• Максимальное количество узлов в сети — 256 с учётом магистральных усилителей.
• Соотношения скорость обмена/длина линии связи:
  • 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),
  • 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),
  • 500 кбит/с,
  • 1000 кбит/с,
  • 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),
  • 10 000 кбит/с 10 м.

Тип приёмопередатчиков — дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от −7 В до −12 В (+7 В до +12 В).

Требования, предъявляемые к выходному каскаду:

• выходной каскад представляет собой источник напряжения с малым выходным сопротивлением, |Uвых|=1,5:5,0 В (не менее 1,5 В и не более 5,0 В);
• состояние логической «1»: Ua < Ub (гистерезис 200 мВ) — MARK, OFF;
• состояние логического «0»: Ua > Ub (гистерезис 200 мВ) — SPACE, ON (производители микросхем — драйверов, часто выбирают намного меньшие значения, гистерезис от 10 мВ);
• выходной каскад должен выдерживать режим короткого замыкания, иметь максимальный выходной ток 250 мА, скорость нарастания выходного сигнала 1,2 В/мкс и схему ограничения выходной мощности.

Требования, предъявляемые к входному каскаду:

• входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от −200 мВ до +200 мВ;
• допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от −7 В до +12 В;
• входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и более);
• уровни состояния приёмника входного каскада — см. состояния передатчика выходного каскада.

Сигналы

Пример временно́й диаграммы передачи одного байта 0xD3 по интерфейсу RS-485 младшими битами вперёд. U+ и U- соответствуют линиям D+ и D-

Стандарт определяет следующие линии для передачи сигнала:

• A — не инвертирующая;
• B — инвертирующая;
• C — (Ноль) Обязательная при высоких скоростях обмена и соединениях с электрически массивными объектами как выравнивающий ноль

необязательная общая линия (ноль) в случаях низких скоростей обмена и устройствами с микро-потреблением энергии. Как датчики температуры на домовых магистралях парового отопления. Подключение только 2 проводами, сначала накачка заряда в датчиках меандром (Посылка 0ХАА) потом запрос одного датчика. При отсутствии выравнивания в расчете на самовыравнивание потенциала приходится отправлять несодержательную меандр посылку до начала собственно данных.

Согласно стандарту:

• V_A > V_B соответствует логическому «0» и называется «активным» (ON) состоянием шины;
• V_A < V_B соответствует логической «1» и называется «неактивным» (OFF) состоянием шины.

Таким образом, при описании состояний шины используется инверсная логика. При этом логика однополярных сигналов на входе передатчика и выходе приёмника стандартом не определяется.

Несмотря на недвусмысленное определение, иногда возникает путаница по поводу того, какие обозначения («A» или «B») следует использовать для инвертирующей и неинвертирующей линии. Для того, чтобы избежать этой путаницы, часто используются альтернативные обозначения, например: «+»/«-» или «D+»/«D-» или «V+/V-».

Большинство производителей придерживается стандарта и использует обозначение «A» для неинвертирующей линии. То есть, высокий уровень сигнала на входе передатчика соответствует состоянию V_A > V_B на шине RS-485; также V_A > V_B соответствует высокому уровню сигнала на выходе приёмника.

Необходимо обратить внимание, что «неактивное» состояние линии от «активного», в контексте, обозначенном в стандарте (соотв. передача лог. 0 и 1), не отличаются электрически, помимо полярности — то есть, не являются эквивалентом «занятости» или «свободности» линии. Оба состояния активно передают в линию соответствующий символ. Для отключения передатчика в нём всегда имеется отдельный вход — при его отключении выходы переходят в высокоимпедансное состояние, допуская работу в этой линии других передатчиков. Таким образом, «активное» и «неактивное» состояния сами по себе не являются индикатором чего-либо, помимо передаваемого бита. Протокол передачи, использующий относительное кодирование, допускает инверсию передаваемых данных, а значит перемену проводов в паре местами без каких-либо последствий. При этом, однако, на практике гораздо чаще используется не абстрактный или создаваемый разработчиком протокол обмена, а отражение протокола RS-232 в его логической части на аппаратный уровень RS-485 — так как производятся промышленные преобразователи соответствующего типа, что позволяет не разрабатывать свой логический протокол. Здесь полярность подключения принципиальна в связи с тем, что RS-232 использует определённое толкование передаваемых символов и не допускает их инверсии.

Согласование и смещение

При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределённые индуктивные и ёмкостные свойства кабеля. Как следствие, сигнал, переданный в линию одним из узлов, начинает искажаться по мере распространения в линии, возникают сложные резонансные явления. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые распределенные параметры погонной ёмкости и индуктивности, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключена согласованная нагрузка (резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля), резонансные явления значительно ослабляются. Называется такой резистор терминатором. Для сетей RS-485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными). Волновое сопротивление наиболее распространенных витых пар типа CAT5 составляет 100 Ом. Другие витые пары могут иметь волновое сопротивление 150 Ом и выше. Плоские ленточные кабели до 300 Ом.

На практике номинал этого резистора может выбираться и бóльшего номинала, чем волновое сопротивление кабеля, поскольку омическое сопротивление того же кабеля может оказаться настолько велико, что амплитуда сигнала на приёмной стороне окажется слишком мала для устойчивого приёма. В этом случае ищут компромисс между резонансными и амплитудными искажениями сигнала, уменьшая скорость интерфейса и увеличивая номинал терминатора. На скоростях 9600 бит/с и ниже волновые резонансные явления в масштабах, способных ухудшить качество связи, не проявляются, и вопроса согласования линии не возникает. Более того, при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи (существенно для длинных линий связи).

Ещё один источник искажения формы сигналов при передаче через витую пару — разная скорость распространения высокочастотного и низкочастотного сигнала (высокочастотная составляющая распространяется по витой паре несколько быстрее), что приводит к искажению формы сигнала при высоких скоростях передачи.

Помехи в линии связи зависят не только от длины, терминаторов и качества самой витой пары. Важно, чтобы линия связи последовательно обходила все приёмопередатчики (топология общей шины). Витая пара не должна иметь длинных отводов — отрезков кабеля для соединения с очередным узлом, кроме случая использования повторителей интерфейса или при низких скоростях передачи, менее 9600 бит/с.

В момент отсутствия активного передатчика на шине уровень сигнала в линиях не определён. Для предотвращения ситуации, когда разница между входами A и B меньше 200 мВ (неопределённое состояние), иногда применяется смещение с помощью резисторов или специальной схемы. Если состояние линий не определено, то приёмники могут принимать сигнал помехи. Некоторые протоколы предусматривают передачу служебных последовательностей для стабилизации приёмников и уверенного начала приёма.

Сетевые протоколы, использующие RS-485

• LanDrive
• ProfiBus DP
• Modbus
• DMX512
• HDLC
• IEC 60870-5

Промышленные сети, построенные на основе RS-485

• LanDrive
• ProfiBus DP
• Modbus

См. также

• DMX-512
• RS-232
• Драйвер (электроника)

Ссылки

• Евгений Александрович Бень RS-485 для чайников  (неопр.) (2003). Дата обращения: 4 февраля 2014. Архивировано 7 августа 2011 года.
• Яшкардин В. Л. RS-485 — стандарт передачи данных по последовательному симметричному каналу.  (неопр.) SoftElectro (2009). Дата обращения: 5 мая 2010. Архивировано 27 февраля 2012 года.
• Игорь Николаевич Бирюков Правильная разводка сетей RS-485  (неопр.) (2001). Дата обращения: 5 мая 2010. Архивировано 13 апреля 2010 года.
• Майк Фэрион (Mike Fahrion) Поиск и устранение неисправностей в сетях RS-485  (неопр.) (2005). Дата обращения: 16 августа 2011. Архивировано 5 февраля 2012 года.