RS-485

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».

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

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-485Править

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом.

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-485Править

  • 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[1]:
    • 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[2][3]);
  • 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.

СигналыПравить

 
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 — неинвертирующая;
  • B — инвертирующая;
  • C — необязательная общая линия (ноль).

Согласно стандарту[4]:

  • VA > VB соответствует логическому «0» и называется «активным» (ON) состоянием шины;
  • VA < VB 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-»[5].

Большинство производителей придерживается стандарта и использует обозначение «A» для неинвертирующей линии. То есть, высокий уровень сигнала на входе передатчика соответствует состоянию VA > VB на шине RS-485; также VA > VB соответствует высокому уровню сигнала на выходе приёмника[4].

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 смещениеПравить

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[6]. Другие витые пары могут иметь волновое сопротивление 150 Ом и выше. Плоские ленточные кабели до 300 Ом[7][8].

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[9][10][11]. 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)[12].

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[13].

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-485Править

Промышленные сети, построенные на основе RS-485Править

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.
  2. Datasheet приемопередатчик RS-485 SP485C. Дата обращения: 27 июля 2012. Архивировано 25 апреля 2014 года.
  3. Datasheet приемопередатчик RS-485 DS75176. Дата обращения: 27 июля 2012. Архивировано 25 апреля 2014 года.
  4. 1 2 Polarity Conventions for RS-485 Transceivers. Дата обращения: 21 июня 2017. Архивировано 19 июня 2015 года.
  5. Polarities for Differential Pair Signals. Дата обращения: 21 июня 2017. Архивировано 10 июля 2017 года.
  6. Кабели на основе витых пар. Дата обращения: 27 октября 2012. Архивировано 24 февраля 2011 года.
  7. РАДИОЧАСТОТНЫЕ СИММЕТРИЧНЫЕ КАБЕЛИ. Дата обращения: 6 декабря 2012. Архивировано 10 марта 2012 года.
  8. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Дата обращения: 6 декабря 2012. Архивировано 10 марта 2012 года.
  9. Правильная разводка сетей RS-485 (пер. И. Н. Бирюков). Дата обращения: 5 июля 2006. Архивировано 9 октября 2006 года.
  10. Интерфейс RS-485: описание, подключение. Дата обращения: 11 ноября 2012. Архивировано из оригинала 2 ноября 2012 года.
  11. Е. А. Бень — RS-485 для чайников Архивировано 21 февраля 2014 года.
  12. Согласование линии с передатчиком и приемником. Дата обращения: 15 марта 2013. Архивировано 28 января 2013 года.
  13. Статья — передача сигналов по витой паре. Дата обращения: 27 июля 2012. Архивировано 28 апреля 2013 года.

СсылкиПравить