Рекомендованный стандарт

EIA/TIA*-485-А и EIA/TIA-422.
Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной

автоматизации. Его используют промышленные сети:
Modbus,
Profibus DP,
ARCNET,
BitBus,
WorldFip,
LON,
Interbus и множество нестандартных сетей.

Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:
двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
работа с несколькими передатчиками (трансиверами), подключенными к одной и той же линии, т. е. обеспечивается возможность организации сети;
большая длина линии связи;
достаточно высокая скорость передачи.

сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается

не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: A и B (рис. 1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [RS - TIA].

Рис.1. Дифференциальное представление сигнала

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии А (Data+) и В(Data-).

что на линии установлено значение «лог. 1»,
при напряжении

от -200 мВ, до -7 В – «лог. 0».

Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ.

Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

"правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются.
Благодаря

симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов.

линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два

варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.
RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.
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.

Аппаратная реализация интерфейса

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).

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.

Приемопередатчик RS-485

Рис.2. Подключение приёмопередатчика RS485 к микроконтроллеру

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:
когда UAB > +200 мВ ‒ приемник определяет "1",
когда UAB < -200 мВ ‒ приемник определяет "0".
когда -200 мВ < UAB < +200 мВ правильное распознавание сигнала не гарантируется.
Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

RS-485, объединяющая несколько приемо-передатчиков.

При подключении следует правильно присоединить сигнальные цепи,

обычно называемые
А (Data+) и В(Data-).

Переполюсовка (если А поменять местами с В) не страшна, но устройство работать не будет.

Рис.3. Локальная сеть на основе интерфейса

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково:
прямые выходы (A) к одному проводу,
инверсные (B) ‒ к другому.

(RAB) обычно составляет 12 кОм. Так как мощность передатчика не

беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии (для RS-485 c учетом согласующих резисторов) передатчик может вести до 32 приемников.
Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбит/сек. Максимальное расстояние ‒ 1200 м.
Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика ‒ применяют специальные повторители (репитеры).

присущи общие явления: отражение, преломление, интерференция волн и др. При

больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому ‒ конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Ω. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины линии (рис. 4). Например, волновое сопротивление печатной платы составляет 50—150 Ом, для витой пары Ω = 100—120 Ом, для телефонного провода Ω ~ 300 Ом, свободное пространство (вакуум) имеет волновое сопротивление Ω = 120π = 377 Ом.

Рис. 4. Упрощенная схема любой длинной линии.

Рис. 5. Упрощенная эквивалентная схема линии связи.

отраженной волне к напряжению в прямой волне.
ZH → ∞ (правый

конец линии разомкнут — режим «холостого хода»), тогда rU = 1, прямая и отраженная волны имеют равные амплитуды и совпадают по фазе. Суперпозиция прямой и отраженной волн дает стоячую волну, напряжение в пучностях которой составляет 2Uпр .
ZH → 0 (режим «короткого замыкания»), тогда rU = –1, т.е. прямая и отраженная волны имеют равные амплитуды и сдвиг по фазе на π. Суперпозиция прямой и отраженной волн приводит к взаимной компенсации напряжений, всюду в линии U = 0.
ZH = Ω, тогда rU = 0, отраженная волна отсутствует, следовательно, вся мощность передается нагрузке. Такой режим отвечает взаимному согласованию линии и нагрузки.

120 Ом. Для того чтобы избежать волновых эффектов на удаленном

конце линии, между проводниками витой пары надо включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии. Тогда электромагнитная волна дошедшая до "тупика" поглощается на таком резисторе. Этот резистор называют ‒ согласующий резистор или "терминатор".

Большой минус согласования на резисторах ‒ повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать.
Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Ω =120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце

входах A-B - ±200мВ. Если |Uab| меньше порогового (около 0),

то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую "1", поддерживая, таким образом, уровень стопового бита.

Добиться этого просто ‒ прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) - к "земле". Получается делитель:

Защитное смещение

Rвх - входное сопротивление приемника ~12 кОм;
Rc - согласующие резисторы (120 Ом);
Rзс - резисторы защитного смещения.

Величины сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю.
Например. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ. Напряжение питания ‒ 5В. Сопротивление среднего плеча – 120 Ом//120 Ом//12 кОм на каждый приемник ‒ примерно 57 Ом (для 10 приемников). Таким образом, выходит примерно по 650 Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом ‒ сопротивление Rзс должно быть меньше 650 Ом. Традиционно ставят 560 Ом.

RS-485 определяется необходимостью устранения отражений в линии передачи.
Поскольку отражения

происходят от любой неоднородности, в том числе ответвлений от линии, то единственно правильной топологией сети будет такая, которая выглядит как единая линия без отводов, к которой не более чем в 32 точках подключены устройства с интерфейсом RS-485 (рис. 6, a). Любые варианты, в которых линия имеет длинные отводы или соединение нескольких кабелей в одной точке ( рис. 6, б), приводят к отражениям и снижению качества передачи.

Рис. 6. Правильная (а) и неправильная (б) топология сети на основе интерфейса RS-485. Квадратиками обозначены устройства с интерфейсом RS-485

а)

б)

омическом сопротивлении кабеля и изменяет свою форму по причине неоднородности

линии и неточного ее согласования. Поэтому существует ограничение на предельную длину кабеля, которое зависит от типа интерфейса и скорости передачи.
Повторители интерфейса или концентраторы (хабы) позволяют разделить линию на сегменты, в каждом из которых выполняются условия согласования с помощью двух терминальных резисторов и не возникают эффекты, связанные с отражениями от концов линии, а длина отвода от линии до повторителя всегда может быть сделана достаточно малой (рис. 7).
Повторители интерфейса обычно имеют (не всегда) гальваническую изоляцию, поэтому их можно использовать также для деления сети на гальванически изолированные сегменты с целью защиты от помех.
Деление сети на гальванически изолированные фрагменты обеспечивает также электрическую защиту изолированных фрагментов от случайного попадания высокого напряжения в какой-либо фрагмент сети. При этом гальванически изолированные участки сети окажутся неповрежденными.

Рис. 7. Применение повторителей интерфейса для разветвления линии передачи

сигнала, а также позволяет согласовать ее в пределах каждого из

фрагментов, ограниченных повторителями. Поэтому повторители используют для увеличения расстояния, на которое требуется передать сигнал, а также для увеличения нагрузочной способности (коэффициента разветвления) передатчика интерфейса.

Рис. 8. Типовая структура повторителя интерфейсов RS-485/422

интерфейсами или изменения физического способа передачи информации. Сложность преобразователя интерфейсов

существенно зависит от функций, которые должны быть реализованы в преобразователе.
В простейшем частном случае, когда требуется преобразовать RS-232 в RS-485, и когда интерфейс RS-232 работает в режиме программного управления потоком данных, то возможна побитовая ретрансляция сигналов без изменения протокола даже физического уровня.
Однако в общем случае интерфейс RS-232 может передавать параллельно до 10 сигналов, в то время как RS-485 ‒ только два (Data+ и Data-), поэтому для полного преобразования интерфейса пришлось бы делать конвертирование между параллельным и последовательным форматом данных. Кроме того, RS-232 может работать в полнодуплексном режиме, а RS-485 ‒ только в полудуплексном (при двухпроводной схеме подключения).
Поэтому в общем случае преобразование интерфейсов невозможно без изменения протокола передачи данных и специального программного обеспечения для портов ввода-вывода. В этом случае они переходят в разряд межсетевых шлюзов.
Межсетевые шлюзы (Gateways) позволяют выполнять обмен данными между различными сетями. Сети могут различаться протоколами, структурами фреймов, форматами и кодированием данных.
В структуре межсетевых шлюзов имеются два специализированных сетевых контроллера, которые реализуют полный стек протоколов обеих сетей.
Каждый интерфейс имеет также буферную память, которая необходима для обмена данными между сетями с разной скоростью передачи данных. Это позволяет принять информацию из одной сети в соответствии с ее стеком протоколов, выделить телеграмму (обычно данные и адрес) на уровне приложений или на одном из нижележащих уровней, затем передать ее сверху вниз через другой стек протоколов в другую сеть.

Преобразователи интерфейса

к компьютеру с портом RS-232 требуется подключить сеть на основе

интерфейса RS-485, порт RS-232 используют в режиме программного управления потоком данных.
При этом из 10 клемм интерфейса RS-232 используются только три: TхD (Transmit Data ‒ передача данных), RхD ‒ (Receive Data ‒ прием данных) и SG (Signal Ground ‒ сигнальное заземление), а протокол передачи не зависит от типа интерфейса.
Преобразование интерфейса сводится фактически только к побитовому преобразованию потока данных из одной электрической формы в другую, без преобразования протоколов передачи и изменения драйверов порта ввода-вывода.
Структурная схема такого преобразователя показана на рис. 9.
Эта схема отличается от схемы на рис. 8 только типом приемопередатчиков портов ввода-вывода и наличием порта RS-422 (выводы Tx+, Tx-, Rx+, Rx-) одновременно с портом RS-485 (выводы Data+, Data-).

Рис. 9. Типовая структура двунаправленного преобразователя интерфейсов RS-232 в RS-485 и RS-422

смещения Rзс должна учитывается нагрузка. Если на линии висит много

приемников, то номинал Rзс должен быть меньше.
В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать собственное сопротивление витой пары, которое может "съедать" часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Б) Исключение приема при передаче в полудуплексном режиме. При работе с полудуплексным интерфейсом RS-485 (прием и передача по одной паре проводов с разделением по времени) можно забыть, что UART контроллера ‒ полнодуплексный, то есть принимает и передает независимо и одновременно.
Обычно во время работы приемопередатчика RS-485 на передачу, выход приемника RO переводится в третье состояние и ножка RX контроллера (приемник UART) "повисает в воздухе". В результате, во время передачи на приемнике UART вместо уровня стопового бита ("1") окажется неизвестно что, и любая помеха будет принята за входной сигнал (стартовый бит).
Поэтому нужно либо на время передачи отключать приемник UART (через управляющий регистр), либо подтягивать RX к единице. У некоторых микроконтроллеров это можно сделать программно ‒ активировать встроенные подтяжки портов.

"горячее" подключение ‒ включение новых приемопередатчиков в линию связи во

время работы системы. Тем не менее, подобную операцию система переносит практически безболезненно, если учесть один нюанс. Это важно, когда питание на устройство подается в момент подключения, например, когда плата в виде ТЭЗа вставляется в разъем.
Во время любого сброса:
по включению питания,
по сигналу на входе "Reset",
по срабатыванию сторожевого таймера и т.д.
контроллеру требуется время на инициализацию, которое может составлять до нескольких десятков миллисекунд. Пока контроллер находится в состоянии сброса, он принудительно настраивает все порты на вход. Получается ситуация, при которой питание на микросхему приемопередатчика RS-485 уже подано, но входы разрешения приемника /RE и передатчика DE "висят в воздухе".
В результате, приемопередатчик может по помехе открыться на передачу и все время пока микроконтроллер в «отключке» пускать в работающую линию мусор.
Чтобы этого избежать надо через резистор в несколько килоОм подтянуть вход разрешения приемника /RE к нулю. Этим приемопередатчик сразу по включении питания настраивается на прием и не лезет на линию.

и "землей" приемопередатчика, как правило, не должна выходить за пределы

-7...+12 В. Следовательно, может потребоваться защита от разности потенциалов между "землями" и от перенапряжений из-за замыкания на высоковольтные цепи.

А) Разность потенциалов между "землями". При организации сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать неявное присутствие третьего проводника ‒ "земли". Ведь все приемопередатчики имеют питание и "землю". Если устройства расположены недалеко от начального источника питания, то разность потенциалов между "землями" устройств в сети невелика. Но если устройства находятся далеко друг от друга и получают местное питание, то между их "землями" может оказаться существенная разность потенциалов. Возможные последствия ‒ выход из строя приемопередатчика, а то и всего устройства. В таких случаях следует применять гальваническую развязку или дренажный провод.
Дренажный провод ‒ провод, прокладываемый вместе с витой парой и соединяющий "земли" удаленных устройств. Через этот провод уравниваются потенциалы "земель". При включении устройства в линию дренажный провод следует подсоединять первым, а при отключении ‒ отсоединять последним. Для ограничения тока через дренажный провод его заземляют в каждом устройстве через резистор в 100 Ом (0.5 Вт).

Защита устройств от перенапряжений в линии связи

линию или одну из местных "земель" высокого напряжения, следует применять

опторазвязку или шунтирующие ограничители напряжения. А лучше и то и другое.

Напряжение пробоя опторазвязанного интерфейса составляет сотни и даже тысячи вольт. Это хорошо защищает устройство от перенапряжения, общего для всех проводников линии. Однако, при дифференциальных перенапряжениях, когда высокий потенциал оказывается на одном из проводников, сам приемопередатчик будет поврежден.

Для защиты от дифференциальных перенапряжений все проводники линии, включая изолированный общий, шунтируются на локальные "земли" при помощи ограничителей напряжения. Это могут быть варисторы, полупроводниковые ограничители напряжения и газоразрядные трубки.

Физический принцип их действия разный, но суть одна ‒ при напряжении выше порогового их сопротивление резко падает, и они шунтируют линию. Газоразрядные трубки могут шунтировать очень большие токи, но имеют высокий порог пробоя и низкое быстродействие, поэтому их лучше применять по трехступенчатой схеме вместе с полупроводниковыми ограничителями. Когда заземление линии невозможно, проводники линии шунтируют ограничителями между собой. Но это защитит только от дифференциальных перенапряжений ‒ защиту от общего должна взять на себя опторазвязка.