Так как стандарт, RS-485 описывает только физический уровень процедуры обмена данными, то все проблемы обмена, синхронизации и квитирования, возлагаются на более высокий протокол обмена(ModBus , DCON и т.п.).

Сам RS-485 выполняет только следующие действия:

1. Преобразует входящую последовательность "1" и "0" в дифференциальный сигнал.

2. Передает дифференциальный сигнал в симметричную линию связи.

3. Подключает или отключает передатчик драйвера по сигналу высшего протокола.

4. Принимает дифференциальный сигнал с линии связи.

Если подключить осциллограф к контактам А-В (RS-485) и контактам GND-TDx(RS-232), то вы не увидите разницы в форме сигналов передаваемых в линиях связи. На самом деле, форма сигнала RS-485 полностью повторяет форму сигнала RS-232, за исключением инверсии ( в RS-232 логическая единица передается напряжением -12 В, а в RS-485 +5 В).

Рисунок1 - Форма сигналов RS-232 и RS-485 при передаче двух символов "0" и "0".

Как видно из рис.1 происходит простое преобразование уровней сигнала по напряжению. Хотя форма сигналов одинаковая у выше указанных стандартов, но способ их формирования и мощность сигналов различны.

Рис.2 Формирование сигналов RS-485 и RS-232

Преобразование уровней сигналов и новый способ их формирования позволил решить ряд проблем, которые в своё время не были учтены при создании стандарта RS-232.

4. Преимущества физического сигнала RS-485 перед сигналом RS-232

1. Используется однополярный источник питания +5В, который используется для питания большинства электронных приборов и микросхем. Это упрощает конструкцию и облегчает согласование устройств.

2. Мощность сигнала передатчика RS-485 в 10 раз превосходит мощность сигнала передатчика RS-232. Это позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников и таким образом вести широковещательную передачу данных.

3. Использование симметричных сигналов, у которой имеется гальваническая развязка с нулевым потенциалом питающей сети. В результате исключено попадание помехи по нулевому проводу питания (как в RS-232). Учитывая возможность работы передатчика на низкоомную нагрузку, становится возможным использовать эффект подавления синфазных помех с помощью свойств "витой пары". Это существенно увеличивает дальность связи. Кроме этого появляется возможность "горячего" подключения прибора к линии связи (хотя это не предусмотрено стандартом RS-485). Заметим что в RS-232 "горячее" подключение прибора обычно приводит к выходу из строя СОМ порта компьютера.

5. Описание обмена данными по стандарту RS-485

Каждый приёмопередатчик (драйвер) RS-485 может находиться в одном из двух состояний: передача данных или приём данных. Переключение драйвера RS-485 происходит с помощью специального сигнала. Например, на рис.3 показан обмен данными с использованием преобразователя АС3 фирмы Овен. Режим преобразователя переключается сигналом RTS. Если RTS=1 (True) АС3 передает данные, которые поступают к нему от СОМ порта в сеть RS-485. При этом все остальные драйверы должны находиться в режиме приёма (RTS=0). По сути дела RS-485 является двунаправленным буферным мультиплексированным усилителем для сигналов RS-232.

Рисунок 3 - Пример использования преобразователя Овен АС3

Ситуация когда в одно время будет работать более одного драйвера RS-485 в режиме передатчика приводит к потере данных. Эта ситуация называется "коллизией". Чтобы коллизии не возникали в каналах обмена данными необходимо использовать более высокие протоколы (OSI). Такие как MODBUS, DCON, DH485 и др. Либо программы, которые напрямую работают с RS-232 и решают проблемы коллизий. Обычно эти протоколы называют 485-тыми протоколами. Хотя на самом деле, аппаратной основой всех этих протоколов служит, конечно, RS-232. Он обеспечивает аппаратную обработку всего потока информации. Программную обработку потока данных и решение проблем с коллизиями занимаются протоколы высшего уровня (Modbus и др.) и ПО.

6. Основные принципы реализации протоколов верхнего уровня (типа MODBUS)

Кратко рассмотрим эти протоколы, хотя они не имеют отношение к стандарту RS-485. Обычно протокол верхнего уровня включает в себя пакетную, кадровую или фреймовую организацию обмена. То есть, информация передаётся логически завершенными частями. Каждый кадр обязательно маркируется, т.е. обозначается его начало и конец специальными символами. Каждый кадр содержит адрес прибора, команду, данные, контрольную сумму, которые необходимы для организации многоточечного обмена. Чтобы избежать коллизий обычно применяют схему "ведущий" (master)-"ведомый" (slave). "Ведущий" имеет право самостоятельно переключать свой драйвер RS-485 в режим передачи, остальные драйверы RS-485 работают в режиме приёма и называются "ведомыми". Чтобы "ведомый" начал предавать данные в линию связи "ведущий" посылает ему специальную команду, которая дает прибору с указанным адресом право переключить свой драйвер в режим передачи на определенное время.

После передачи разрешающей команды "ведомому", "ведущий" отключает свой передатчик и ждет ответа "ведомого" в течение промежутка времени, который называется "таймаут". Если в течении таймаута ответ от "ведомого" не получен, то "ведущий" снова занимает линию связи. В роли "ведущего" обычно выступает программа, установленная на компьютер. Существуют и более сложная организация пакетных протоколов, которая позволяет циклически предавать роль "ведущего" от прибора к прибору. Обычно такие приборы называют "лидерами", либо говорят что приборы передают "маркер". Владение "маркером" делает прибор "ведущим", но он должен будет обязательно передать его другому прибору сети по определённому алгоритму. В основном, указанные выше протоколы, отличаются по этим алгоритмам.

Как мы видим, верхние протоколы имеют пакетную организацию и выполняются на программном уровне, они позволяют решить проблему с "коллизиями" данных и многоточечную организацию обмена данными.

7. Реализация приемопередатчиков(драйверов) RS-485

Многие фирмы изготовляют приемопередатчики RS485. Называют их обычно конверторы RS232 - RS485 или преобразователи RS232-RS485. Для реализации этих приборов выпускается специальные микросхемы. Роль этих микросхем сводится к преобразованию уровней сигналов RS232C к уровню сигналов RS485 (TTL/CMOS) и обратно, а также обеспечение работы полудуплексного режима.

По способу переключения в режим передачи различают приборы:

1. Переключающиеся с помощью отдельного сигнала. Для перехода в режим передачи необходимо выставить активный сигнал на отдельном входе. Обычно это сигнал RST (СОМ порта). Эти приемопередатчики сейчас редко встречаются. Но, тем не менее, они иногда не заменимы. Допустим нужно прослушивать обмен данными между контроллерами промышленного оборудования. При этом, ваш приёмопередатчик не должен переходить в режим передачи, чтобы не создать коллизию в данной сети. Использование приёмопередатчика с автоматическим переключением здесь не допустимо. Пример такого конвертера Овен АС3.

2. С автоматическим переключением и без проверки состояния линии. Наиболее распространённые конверторы, которые переключаются автоматически при появлении на их входе информационного сигнала. При этом они не контролируют занятость линии связи. Эти конверторы требуют осторожного применения из-за высокой вероятности возникновения коллизий. Пример конвертора Овен АС3М.

3. С автоматическим переключением и с проверкой состояния линии. Наиболее продвинутые конверторы, которые могут передавать данные в сеть только при условии, что сеть не занята другими приёмопередатчиками и на входе имеется информационный сигнал.

8. Аппаратная реализация RS485 на примере преобразователя RS232-RS485 АС3 Овен

Рисунок 4 - Принципиальная схема АС3 Овен.

На рисунке 4 - представлена принципиальная схема преобразователя АС3 Овен. Этот преобразователь имеет отдельный сигнал для включения режима передачи данных. В качестве управляющего сигнала используется выходной сигнал СОМ порта RST. Если RST=1 (+12В) преобразователь передает данные с TD(Сом порта) в сеть RS485, если RST=0 (-12 В), то данные принимаются из сети RS-485 на вход RD (СОМ порта). Преобразователь работает от промышленной сети переменного тока напряжением 220 вольт. Блок питания преобразователя выполнен по импульсной схеме на базе микросхемы ТОР232N (DA1). Блок питания выдает два независимых напряжения +5В. Для приёма и преобразования полярных сигналов RS232 (±12 В) в однополярные сигналы TTL/CMOS уровня (+5 В) используется микросхема MAX232N (DD1). Данная микросхема интересна тем, что она питается от однополярного напряжения +5 В и имеет встроенные источники напряжения, которые необходимы для работы с полярными сигналами ±12 В. Для правильной работы встроенных источников напряжения к микросхеме MAX232N подключают внешние конденсаторы С14,С15,С17,С18. Кроме этого микросхема имеет по два преобразователя уровней сигналов RS-232C к TTL/CMOS в обоих направлениях.

Назначение сигналов:

RST -для переключения преобразователя в режим передачи/приёма;

TD -передача данных из RS232 в RS485;

RD -приём данных в RS232 из RS485 .

Далее сигналы RS232 преобразованные к уровню TTL/CMOS подаются на оптопары 6N137, которые осуществляют гальваническую развязку сигналов RS232 и RS485. Для передачи/приёма данных на стороне интерфейса RS485 используется микросхема DS75176 (многоточечный трансивер RS485). Данная микросхема запитана от отдельного источника напряжением +5 В. Микросхема представляет собой усилитель сигналов TTL/COMOS уровня с переключением направления передачи. Выходы DS75176 подключаются к контактам А и В через сопротивления 100 Ом, что обеспечивает ток короткого замыкания А-В в 250мА . Мощность сигнала RS485 примерно в 10 раз превышает мощность сигналов RS232. Эта микросхема усиливает сигнал до нужной мощности и обеспечивает полудуплексный режим работы.

9. Топология сети RS-485

Сеть RS-485 строится по последовательной шиной (bus) схеме, т.е. приборы в сети соединяются последовательно симметричными кабелями. Концы линий связи при этом должны быть нагружены согласующими резисторами- "терминаторами" (terminator), величина которых должна быть равна волновому сопротивлению кабеля связи.

Терминаторы выполняют следующие функции:

· Уменьшают отражение сигнала от конца линии связи.

· Обеспечивают достаточный ток через всю линию связи, что необходимо для подавления синфазной помехи с помощью кабеля типа "витая пара".

Рисунок 5 - Топология сети RS485

Если расстояние сегмента сети превышает 1200 м или количество драйверов в сегменте более 32 штук, нужно использовать повторитель (repeater), для создания следующего сегмента сети. При этом каждый сегмент сети должен быть подключен к терминаторам. Сегментом сети при этом считается кабель между крайним прибором и повторителем или между двумя повторителями.

Стандарт RS-485 не определяет, какой тип симметричного кабеля нужно использовать, но де-факто используют кабель типа "витая пара" с волновым сопротивлением 120 Ом.

Рисунок 6 - Промышленный кабель Belden 3106A для сетей RS485

Рекомендовано использовать промышленный кабель Belden3106A для прокладки сетей RS485. Данный кабель имеет волновое сопротивление 120 Ом и двойной экран витой пары. Кабель Belden3106A содержит 4 провода. Оранжевый и белый провод представляют собой симметричную экранированную витую пару. Синий провод кабеля используется для соединения нулевого потенциала источников питания приборов в сети и называется "общий" (Common). Провод без изоляции используется для заземления оплетки кабеля и называется "дренажный" (Drain). В сегменте сети дренажный провод заземляется через сопротивление на шасси прибора, с одного из концов сегмента, чтобы не допустить протекания блуждающих токов через оплетку кабеля, при разном потенциале земли в удалённых точках.

Обычно сопротивления терминаторов и защитного заземления находится внутри прибора. Необходимо правильно подключить их с помощью перемычек или переключателей. В технической документации фирмы изготовителя приборов необходимо найти описание этих подключений.

При использовании других симметричных кабелей, в особенности, когда не известно их волновое сопротивление, величину терминаторов подбирают опытным путем. Для этого необходимо установить осциллограф в середину сегмента сети. Контролируя форму прямоугольных импульсов передаваемых одним из драйверов можно сделать вывод о необходимости корректировки величины сопротивления терминатора.

Рисунок 7 - Несогласованная сеть RS-485 (без терминатора) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)

Рисунок 8 - Терминатор установлен в середине сегмента сети RS-485

Рисунок 9 - Прибор подключен длинным отводом (3 м) к сегменту сети RS-485

Для анализа качества согласования линии связи применяют тестовые функции. Обычно такая функция встроена в конкретный прибор или программу. Во время тестирования передатчик посылает в сеть заданную последовательность символов, а приемник на другом конце линии анализирует правильность приема этой известной ему последовательности символов. Сеть тестируется определенное количество времени, после чего по количеству ошибок делается вывод о качестве связи

10. Программное обеспечение для работы в сетях RS-485

Интерфейс RS-485, стал основным физическим интерфейсом для промышленных сетей передачи данных. Такие протоколы как ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 , работают по на физическом уровне RS-485.

Промышленные протоколы передачи данных часто бывают засекречены фирмами производителями. Информацию по тому или иному протоколу связи приходится собирать по крупицам. Специалисту, работающему с промышленными сетями необходима программа для чтения всей информации передаваемой в информационных сетях. Основные секреты промышленных протоколов можно обнаружить только при всесторонем анализе переданных и полученных данных. Программа ComRead v.2.0 предназначена для сохранения и отображения данных и сервисных сигналов передаваемых в информационных сетях, которые работают по стандартам RS-232, RS-485, Bell-202 и др. Программа не только сохраняет всю информацию, но и создает временную развертку данных и сервисных сигналов. Программа ComRead v.2.0 сканирует информационный канал не влияя на его работу, то есть работает в режиме прослушивания физической среды передачи информации. Кроме того, программа может работать в режиме транслятора данных и сервисных сигналов. При этом она становится непосредственной частью информационного канала связи.

11. Схема приемопередатчика RS-485

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 отключаются в режиме приема.

Рисунок 10 - Схема приемопередатчика RS-485 и RS-422

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).

Остановимся поподробнее на приемопередатчике RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку 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.

Рисунок 11 - Схема приемопередатчика RS-485

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.

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.

12. Схема включения микросхем RS-485

Таблица 1 - Микросхемы драйверов интерфейса RS485/422 с оптической развязкой фирмы MAXIM

Эта группа микросхем со встроенной оптической изоляцией содержит четыре семейства микросхем и имеет свои особенности. Все микросхемы этой группы выпускаются в достаточно больших корпусах, имеют достаточно большое потребление, нуждаются в значительном количестве внешних элементов обвязки, имеют не очень большое быстродействие и высокую стоимость.

Микросхемы семейства MAX1490 предназначены для организации сети на базе интерфейса RS422. Микросхема MAX3157 предназначена для сверхмалых сетей с количеством станций до 4. Оставшиеся два семейства MAX1480 и MAX3480 имеют аналогичную внутреннюю структуру и отличаются только напряжением питания и потребляемым током. На рис. 5 приведена типовая схема включения микросхем семейства MAX1480. Для семейства MAX3480 схема включения аналогична и отличается только номиналами некоторых резисторов.

Рисунок 12 - Схема включения драйверов MAX1480 (MAX3480)

13. Временные диаграммы устройств c RS-485 на примере реле времени ЭРКОН-215

Рисунок 13 - Функциональная блок-схема реле времени ЭРКОН-215

Коммутирование внешних цепей реле времени ЭРКОН-215 производит по программе, заданной пользователем, при помощи синхронной группы контактов встроенного электромеханического реле. Программа представляет собой последовательность замкнутых и разомкнутых состояний исполнительного устройства и для каждого из этих состояний задано значение выдержки времени, в течение которого это состояние должно поддерживаться. Замкнутое или разомкнутое состояние исполнительного устройства и соответствующая ему выдержка времени называются временным интервалом. ЭРКОН-215 позволяет пользователю задавать до 99 временных интервалов включительно, причём нечётным номерам интервалов соответствует разомкнутое состояние исполнительного устройства, а чётным номерам - замкнутое.

Задание значений временных интервалов осуществляется в меню оперативного управления, вход в которое имеет пароль для защиты вводимых данных от несанкционированного изменения. Количество временных интервалов, для которых пользователь может задавать значения, устанавливается соответствующим параметром в меню конфигурирования прибора. Вход в это меню также защищен паролем.

Запрограммированная последовательность временных интервалов называется временной диаграммой, и её исполнение всегда начинается с наименьшего номера временного интервала, для которого задано ненулевое значение выдержки времени.

Рисунок 14 - Пример временной диаграммы приведён

На графиках состояние сигналов показано условно - замкнутому выходному контакту поставлен в соответствие высокий уровень, а разомкнутому - низкий.

По окончании выдержки времени одного временного интервала реле времени автоматически переходит к отработке следующего интервала, для которого задано ненулевое значение и т. д.

Во время исполнения временной диаграммы возможно изменение значения любого ранее запрограммированного временного интервала. Причем, если производится изменение значения временного интервала, отрабатываемого в данный момент, то в случае ввода нового значения меньшего, чем уже отработанный временной промежуток от начала текущего интервала, данный интервал считается оконченным и происходит переход к отсчёту следующего интервала. В случае ввода нового значения большего, чем уже отработанный временной промежуток от начала текущего интервала, данный интервал продолжает отрабатываться, но длительность его будет определяться вновь введенным значением.

Все параметры и значения временных интервалов, введённые пользователем, сохраняются в энергонезависимой памяти прибора и отключение питания не приводит к их потере.

Реле времени ЭРКОН-215 может формировать выдержки времени в трёх различных диапазонах: 0,1 с - 999,9 с, 0,1 мин - 999,9 мин, 0,1 ч - 999,9 ч. Диапазон, необходимый для исполнения временной диаграммы, должен выбираться пользователем на стадии настройки параметров прибора (конфигурирования) под конкретную задачу, так как, в отличие от значений временных интервалов, выбранный диапазон нельзя изменить, не прерывая исполнения временной диаграммы. Данный параметр находится в меню конфигурирования прибора.

Наличие интерфейса RS-485 увеличивает универсальность использования реле и уменьшает время, необходимое для подготовки реле времени к исполнению новых задач, так как изменение всех параметров меню оперативного управления и меню конфигурирования прибора можно производить дистанционно, посредством последовательной линии связи.

ЭРКОН-215 поддерживает два протокола связи через последовательный интерфейс - Modbus RTU и RNet - на скорости до 115200 бит/с включительно. Оба протокола являются открытыми. Кроме того, используемый в приборе драйвер интерфейса RS-485 обладает повышенной нагрузочной способностью и позволяет подключать в одну сеть до 128 однотипных устройств без использования повторителей.

Параметры выбора протокола и скорости обмена для связи по последовательному интерфейсу находятся в меню конфигурирования прибора и сохраняются в энергонезависимой памяти реле времени, как и все остальные параметры.

Заключение

Стандарт RS485 является основным стандартом 1-го физического уровня (OSI) передачи данных по последовательным асинхронным каналам связи.

Стандарт RS485 включен в состав многих сетевых протоколов, например:

· ModBus

· ProfiBus DP

· DCON (ICP CON)

· DH-485 (Allen Bradley)

· Овен (НПО "Овен")

· BitBus (Intel)

Так же его поддерживают многие международные и национальные стандарты, например:

· CCITT V.10, CCITT V.11

· DIN 66 259-3, DIN 66 259-4, DIN 66 348-2

· IEEE 1118

· ISO/IEC 8482

Список литературы

1. http://www.softelectro.ru/rs485.html

2. http://masters.donntu.edu.ua/2004/fema/kovalenko/library/art7.html

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/RS-485

4. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/_rtcs/maxim_rs485-2.htm