Правильная разводка сетей RS-485
Цель настоящей статьи — предоставить базовые рекомендации по выбору схемы соединений для сетей на основе RS-485. Спецификация RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) не дает конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществляться разводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Эти рекомендации и инженерная практика в области обработки звука положены в основу этой статьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всего разнообразия возможных вариантов построения сетей.
RS-485 передает цифровую информацию между многими объектами. Скорость передачи данных может достигать 10 Мбит/с, а иногда и превышать эту величину. RS-485 предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метров хорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, с которыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов при разработке схемы межсоединений системы.
RS-485 спроектирован как балансная система. Проще говоря, это означает, что, помимо земляного, имеется два провода, которые используются для передачи сигнала.
Рис. 1. Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных.
Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе является идеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, если один провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. См. Рис. 2.
Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.
Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием различных типов передающей среды, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой «витая пара».
Что такое витая пара и почему она используется?
Как следует из ее названия, витая пара — это просто пара проводов, которые имеют равную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиям спецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источника проблем для разработчиков быстродействующих территориально распределенных сетей, а именно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи (наводка).
Излучаемые электромагнитные помехи
Как показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используются импульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие. Эти крутые фронты нужны при более высоких скоростях, чем способен обеспечить RS-485.
Рис. 3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и ее БПФ
Полученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе с длинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI). Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этот эффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простом принципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждого провода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными. Это создает эффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствие электромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеют точно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможно одновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должны быть близко друг к другу насколько возможно. Скручивание проводов помогает нейтрализовать любое остаточное электро-магнитное излучение из-за конечного расстояния между двумя проводами.
Индуцируемые электромагнитные помехи
Индуцируемые электромагнитные помехи — в основном та же самая проблема, что и излучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, также действуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательные сигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкам в данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращать излучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимых электромагнитных помех. Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум, наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенный на втором проводе. Этот тип шума называют «синфазным шумом». Поскольку приемники RS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностью друг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов.
Волновое сопротивление витой пары
В зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витая пара будет обладать соответствующим «волновым сопротивлением (характеристическим импедансом)», которое обычно определяется ее производителем. Спецификация RS-485 рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом. Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки и диапазонов синфазных напряжений, определенных в спецификации RS-485. По всей видимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по каким-либо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобы наихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приемников) и наихудшие диапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, что проектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специально посвященный таким вычислениям.
Число витых пар на каждый передатчик
Теперь, когда мы понимаем, какой нужен тип кабеля, возникает вопрос о том, каким количеством витых пар может управлять передатчик. Ответ короткий — точно одной. Хотя передатчик и может при некоторых обстоятельствах управлять более чем одной витой парой, это не предусмотрено спецификацией.
Поскольку затронуты высокие частоты и большие расстояния, должное внимание должно быть уделено эффектам, возникающим в линиях связи. Однако, детальное обсуждение этих эффектов и корректных методов согласования далеко выходит за рамки настоящей статьи. Помня об этом, техника согласования будет кратко рассмотрена в своей простейшей форме, постольку, поскольку она имеет отношение к RS-485.
Согласующий резистор — это просто резистор, который установлен на крайнем конце или концах кабеля (Рис. 4). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля.
Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.
Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Это описывается уравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo — сопротивление кабеля, а Rt — номинал согласующего резистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражение неизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5.
Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с MAX3485, нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором. Сигнал справа был получен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора.
Помня об этом, важно обеспечить максимально-возможную близость значений сопротивления согласующего резистора и волнового сопротивления. Место установки согласующего резистора так-же очень важно. Согласующие резисторы должны всегда размещаться на дальних концах кабеля.
Как общее правило, согласующие резисторы должны быть помещены на обоих дальних концах кабеля. Хотя правильное согласование обоих концов абсолютно критично для большинства системных дизайнов, можно утверждать, что в одном специальном случае необходим только один согласующий резистор. Этот случай имеет место в системе, в которой имеется единственный передатчик, и этот единственный передатчик расположен на дальнем конце кабеля. В этом случае нет необходимости размещать согласующий резистор на конце кабеля с передатчиком, поскольку сигнал всегда распространяется от этого передатчика.
Максимальное число передатчиков и приемников в сети
Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одного приемника. Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость, разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимый максимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему.
В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая «единичная нагрузка (unit load)». Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера — MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) — 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487.
Примеры правильных сетей
Вооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторые сети на основе RS-485. Вот несколько простых примеров.
Один передатчик, один приемник
Простейшая сеть — это один передатчик и один приемник (Рисунок 6). В этом примере, согласующий резистор показан на кабеле на стороне передатчика. Хотя здесь это необязательно, вероятно хорошей привычкой было бы проектировать сети с обоими согласующими резисторами. Это позволят перемещать передатчик в места, отличные от дальнего конца кабеля, а также позволяет, если в этом возникнет необходимость, добавить в сеть дополнительные передатчики.
Рис. 6. Сеть RS-485 с одним передатчиком и одним приемником
Один передатчик, несколько приемников
На рисунке 7 представлена сеть с одним передатчиком и несколькими приемниками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.
Рис. 7. Сеть RS-485 с одним передатчиком и несколькими приемниками
На рисунке 8 представлена сеть с двумя приемопередатчиками.
Рис. 8. Сеть RS-485 с двумя приемопередатчиками
На рисунке 8 представлена сеть с несколькими приемопередатчиками. Как и в примере с одним передатчиком и несколькими приемниками, важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.
Рис. 9. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками
Примеры неправильных сетей
Ниже представлены примеры неправильно сконфигурированных систем. В каждом примере сравнивается форма сигнала, полученного от некорректно разработанной сети, с формой сигнала, полученного от должным образом разработанной системы. Форма сигнала измерялась дифференциально в точках A и B (A-B).
В этом примере, на концах витой пары отсутствуют согласующие резисторы. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с открытой цепью на конце кабеля. Это приводит к рассогласованию импедансов, вызывая отражение. В случае открытой цепи (как показано ниже), вся энергия отражается назад к источнику, вызывая сильное искажение формы сигнала.
Рис. 10. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)
Неправильное расположение терминатора
На рисунке 11 согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям.
Рис. 11. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа)
На рисунке 12 имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала.
Рис. 12. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар
На рисунке 13, кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель — stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.
Рис. 13. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением
www.gaw.ru
Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485
RS-485 (EIA/TIA-485) — это стандарт, определяющий электрические характеристики приемников и передатчиков информации для использования в балансных цифровых многоточечных системах. Интерфейс RS-485 является одним из наиболее распространённых стандартов физического уровня в современных средствах промышленной автоматизации.
Как было сказано выше стандарт содержит электрические характеристики приемников и передатчиков, которые могут быть использованы для передачи двоичных сигналов в многоточечных сетях, при этом стандарт не оговаривает другие характеристики: такие как качество сигнала, протоколы обмена, типы соединителей для подключения, линии связи. В результате неопределенности потребители часто испытывают трудности при подключении того или иного оборудования к сети RS-485. Порой неправильно разведенная сеть RS-485 способна свести к нулю затраченные на повышение автоматизации усилия, и может стать причиной постоянных отказов, сбоев и ошибок в работе оборудования. Цель данной статьи — предоставить пользователям рекомендации по подключению и практической реализации систем передачи данных на основе интерфейса RS-485.
1 Краткое описание стандарта
В основе интерфейса RS-485 лежит способ дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть данного метода заключается в следующем: по одному проводу (условно линия А) передается нормальный сигнал, а по второму проводу (условно линия В) передается инвертированный сигнал, таким образом, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов (рисунок 1). Для случая логической «единицы» разность потенциалов положительна, для логического «нуля» — отрицательна.
Рисунок 1 — Диаграмма дифференциальной (балансной) передачи данных
Преимуществом дифференциальной (балансной) передачи данных является высокая устойчивость к синфазным помехам. Синфазная помеха — помеха, действующая на обе линии связи одинаково. Зачастую линии связи прокладываются в местах подверженных неоднородным электромагнитным полям, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, будет наводить в обоих проводах потенциал. В случае RS-232 интерфейса полезный сигнал, который передается потенциалом относительно общего «земляного» провода был бы утерян. При дифференциальной передаче не происходит искажения сигнала в виду того, что помеха одинаково действует на оба проводника и наводит в них одинаковый потенциал, в результате чего разность потенциалов (полезный сигнал) остается неизменной. По этой причине линии связи интерфейса RS-485 представляют собой два скрученных между собой проводника и называются витой парой. Прямые выходы «А» подключаются к одному проводу, а инверсные «В» ко второму проводу (рисунок 2). В случае неправильного подключения выходов к линиям приемопередатчики не выйдут из строя, но при этом правильно функционировать они не будут.
Рисунок 2 — Конфигурация сети RS-485
2 Рекомендации по подключению
Конфигурация сети представляет собой последовательное присоединение приемопередатчиков к витой паре (топология «шина»), при этом сеть не должна содержать длинных ответвлений при подключении устройств, так как длинные ответвления вызывают рассогласования и отражения сигнала (рисунок 3).
Стандарт предполагает, что устройства подключаются непосредственно к шине. При этом скрутки и сращивания кабеля не допускаются. При увеличении длины линий связи при высокой скорости передачи данных имеет место так называемый эффект длинных линий. Он заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в проводниках ограничена, для примера у проводника с полиэтиленовой изоляцией она ограничена на уровне около 206 мм/нс. Помимо этого электрический сигнал имеет свойство отражаться от концов проводника и его ответвлений. Для коротких линий подобные процессы протекают быстро и не оказывают влияния на работу сети, однако при значительных расстояниях в сотни метров отраженная от концов проводников волна может исказить полезный сигнал, что приведет к ошибкам и сбоям.
Проблему отражений сигнала в интерфейсе RS-485 решают при помощи согласующих резисторов — «терминаторов», которые устанавливаются непосредственно у выходов двух приемопередатчиков максимально отдаленных друг от друга. Следует отметить, что в большинстве случаев «терминаторы» уже смонтированы в потребительских устройствах и подключаются к сети при помощи соответствующих перемычек на корпусе устройства. Номинал «терминатора» соответствует волновому сопротивлению кабеля, при этом нужно помнить, что волновое сопротивление кабеля зависит от его характеристик и не зависит от его длины. К примеру, для витой пары UTP-5, используемой для прокладки Ethernet волновое сопротивление составляет 100 ±15 Ом. Специализированный кабель Belden 9841…9844 для прокладки сетей RS-485 имеет волновое сопротивление 120 Ом, поэтому расчетами резистора — «терминатора» можно пренебречь и использовать 120 Ом.
Рисунок 3 — Примеры топологий сетей RS-485
Экранированные витые пары (например, кабели Belden 9841, 3106A) рекомендуется применять в особо ответственных системах, а также при скоростях обмена свыше 500 Кбит/сек.
Нужно отметить, что для обеспечения отказоустойчивости и помехозащищенности с увеличением длины линий связи скорость передачи желательно уменьшить. Зависимость скорости обмена от длины линий представлена на рисунке 4. Данная зависимость может отличаться при прочих условиях и носит скорее рекомендательный характер.
Рисунок 4 — Зависимость скорости обмена от длины линии связи
Согласно стандарту RS-485 (EIA/TIA-485) передатчик должен обеспечивать передачу данных для 32 единичных нагрузок (под единичной нагрузкой подразумевается приемник с входным сопротивлением 12 кОм). В настоящее время производятся приемопередатчики с входным сопротивлением равным 1/4 (48 кОм) и 1/8 (96 кОм) от единичной нагрузки. В этом случае количество подключенных к сети устройств может быть увеличено до: 128 и 256 соответственно. Допускается использовать устройства с различным входным сопротивлением в одной сети, важно чтобы суммарное сопротивление было не менее 375 Ом.
Электрические характеристики интерфейса приведены в таблице 1.
Стандарт RS-485 (EIA/TIA-485) не регламентирует, по какому протоколу устройства сети должны связываться друг с другом. Наиболее распространенными протоколами связи на данный момент являются: Modbus, ProfiBus, LanDrive, DMX512 и другие. Передача информации осуществляется полудуплексно в большинстве случаев по принципу «ведущий» — «ведомый».
Порог чувствительности приемника составляет ± 200 мВ, то есть при разнице потенциалов на входе приемника в диапазоне от минус 200 мВ до плюс 200 мВ его выходное состояние будет находиться в состоянии неопределенности. Разность потенциалов более 200 мВ приемник принимает как логическую «1», а разность потенциалов менее минус 200 мВ приемник принимает как логический «0». Состояние неопределенности может произойти, когда ни один из передатчиков не активен, отключен от сети, либо находится в «третьем состоянии», либо все устройства сети находятся в режиме приема информации. Состояние неопределенности крайне нежелательно, так как оно вызывает ложные срабатывания приемника из-за несинфазных помех.
Использование защитного смещения позволяет исключить возможность возникновения неопределенного состояния в сети. Для этого линию А необходимо подтянуть резистором к питанию (pullup), а линию В резистором — к «земле» (pulldown). В результате, с учетом «терминаторов», получится резистивный делитель напряжения. Для надежной работы сети необходимо обеспечить смещение порядка 250…300 мВ (рисунок 5).
Рисунок 5 — Защитное смещение
Рассмотрим ситуацию, когда в сети находятся два устройства. Нам необходимо получить смещение 250мВ, при этом в сети подключены два терминальных резистора по 120Ом, и имеется источник напряжения +5В, оба приемника обладают единичной нагрузкой— их сопротивление составляет 12кОм.
Учитывая, что терминальные резисторы по 120Ом и оба приемника по 12кОм включены параллельно, то их общее сопротивление равняется:
Rсети = (Rобщ.терм · Rобщ.вх) / (Rобщ.терм + Rобщ.вх) = (60 · 6000) / (60 + 6000) = 60Ом.
Рассчитаем ток в цепи смещения:
При этом последовательное сопротивление цепи смещения составит:
Получаем сопротивление резисторов смещения:
Rсм = 1140 / 2 = 570Ом.
Выбираем ближайший номинал 560Ом.
Рисунок 6— Диаграмма передачи данных при использовании защитного смещения
Исходя из расчета защитного смещения можно заметить, что через делитель напряжения постоянно протекает ток (для случая выше это 4,2мА), что может быть недопустимым в системах с малым энергопотреблением. Это является серьезным недостатком защитного смещения.
Снизить потери можно увеличением номинала резисторов согласования до 1,1кОм и выше, но в данном случае придется искать компромисс между энергопотреблением и надежностью сети.
Для гальванически развязанной линии резисторы смещения следует подтягивать к «земле» и питанию со стороны изолированной линии.
Для защиты от помех экран витой пары следует заземлять в одной точке, при этом стандарт не оговаривает в какой, поэтому часто экран кабеля заземляется на одном из его концов. Иногда причиной возникновения ошибок при передаче сигнала является работающий поблизости радиопередатчик. Чтобы устранить влияние радиосигнала на передающий кабель достаточно установить высокочастотный конденсатор малой емкости между экраном кабеля и заземлением электрической сети порядка 1…10нФ.
Если приборы, объединенные в одну сеть, питаются от различных источников или находятся на значительном удалении друг от друга, то необходимо дополнительным дренажным проводом объединить «земли» всех устройств. Это правило исходит из того, что разность потенциалов между линией и «землей» по стандарту не должна превышать от минус 7 до плюс 12 В. В случае, когда устройства находятся на значительном расстоянии друг от друга, либо питаются от разных источников разность потенциалов на входе приемопередатчика может превысить в несколько раз допустимый диапазон, что приведет к выходу из строя приемопередатчика. При этом следует учитывать, что подключение устройства к сети RS-485 нужно начинать именно с дренажного провода, а производя отключение устройства в последнюю очередь отсоединять дренажный провод. Для ограничения «блуждающих» токов в дренажном проводе его следует подключать к каждой сигнальной земле через резистор номиналом 100 Ом мощностью 0,5 Вт, помимо этого необходимо через такой же резистор 100 Ом 0,5 Вт подключить дренажный провод к защитному заземлению. Рекомендуем осуществлять защитное заземление дренажного провода в одной точке, чтобы исключить постоянное протекание «блуждающего» тока через него по сравнению со случаем, когда дренажный провод заземляется у каждого устройства. Не следует использовать экран кабеля в качестве дренажного провода.
Рисунок 7 — Использование дренажного провода для уравнивания
потенциала «земель»
Для защиты сетей от синфазных перенапряжений и импульсных помех менее 2 кВ достаточно использовать приемопередатчики с гальванической развязкой. Если же высокий потенциал будет приложен дифференциально, т.е. к одному проводнику линии, то приемопередатчик будет поврежден, так как разность потенциалов между проводниками должна находиться в диапазоне от минус 7 до плюс 12 В.
Защита устройств сети RS-485 от дифференциальных перенапряжений составляющих десятки киловольт, например, попадание разряда молнии в линию, осуществляется за счет использования специальных защитных устройств. В простейшем случае все проводники линии шунтируются ограничителями напряжения на «землю» (рисунок 8а). Если заземление линии невозможно, то проводники линии шунтируются ограничителями между собой (рисунок 8б). Защита, организованная на варисторах, супрессорах, газоразрядных трубках, способна выдерживать лишь кратковременные всплески напряжения. Дополнительную защиту от токов короткого замыкания в линиях можно обеспечить при помощи установки в линию плавких предохранителей.
Рисунок 8 — Варианты защиты сети RS-485 от перенапряжений и импульсных помех
Как правило, устройства, работающие в сетях RS-485 помимо «терминаторов» имеют встроенную защиту от перенапряжений и импульсных помех. Подробнее об этом можно прочитать в руководстве по эксплуатации на конкретное устройство. Помимо этого на рынке существует множество готовых устройств подавления импульсных помех, принцип действия которых также основан на применении варисторов и газоразрядных трубок. Стоит лишь помнить, что каждое дополнительное устройство защиты, установленное в сети, вносит дополнительную емкость, эквивалентную емкости кабеля длинной 120…130 м.
1. Следует избегать прокладки витой пары совместно с силовыми цепями, особенно в общей оплетке. Линии связи должны находиться не ближе чем 0,5 м от силовых цепей. Пересечение линий связи с силовыми цепями (если этого не избежать) желательно делать под прямым углом. Не рекомендуется использовать в качестве витой пары кабели менее 0,326 мм 2 (22 AWG). Не допускается наличие «скруток» для сращивания кабеля.
2. При использовании витой пары типа UTP-5 свободные пары рекомендуется использовать в качестве дренажного провода, либо держать их в резерве, в случае повреждения главной витой пары.
3. Сеть должна иметь топологию «шина», не допускаются длинные ответвления от основной «шины».
4. Если для конечной системы не требуется высокого быстродействия, то не рекомендуется устанавливать скорость передачи данных «как можно выше». Наоборот максимальная надежность сети достигается на низких скоростях передачи.
5. Согласующие резисторы «терминаторы» устанавливаются в наиболее удаленных точках сети RS-485, обычно они уже смонтированы в устройствах пользователя, поэтому достаточно их только подключить перемычками или переключателями согласно руководству по эксплуатации на конкретное устройство. Сопротивление согласующих резисторов должно равняться волновому сопротивлению используемого кабеля, в противном случае их установка может только навредить.
6. В сетях, где возможно возникновение состояния неопределенности необходимо с целью минимизации ошибок и сбоев устанавливать защитное смещение порядка 250…300 мВ. Необходимо учитывать при этом, что ток потребления системы увеличится.
7. Для защиты от помех экран витой пары заземляется в любой точке, но один раз.
8. При питании удаленного оборудования от различных источников рекомендуется использовать дренажный провод для уравнивания потенциала «земель», при этом следует помнить, что подключение устройства к сети следует начинать именно с дренажного провода, а при отключении устройства в последнюю очередь отключать дренажный провод.
9. Для защиты оборудования, а так же обслуживающего его персонала рекомендуется использовать устройства, имеющие гальваническую развязку.
10. Не стоит пренебрегать дополнительными устройствами защиты от перенапряжений и импульсных помех.
www.eni-bbmv.ru
Правила rs-485
Алексей ОМЕЛЬЯНЧУК, эксперт
Топология кабеля. Формально, RS485 требует топологии типа «шина», то есть идет по возможности цельный кусок кабеля и прямо на нем висят устройства.
На картинке представлены различные варианты топологии сети. Теоретически допустимы только (b),(d),(f). На практике это не очень удобно, намного удобнее вариант (e) – от кабеля в клеммной коробке сделать ответвление и подвести это ответвление к устройству. А возле следующего устройства сделать новое ответвление, и так далее. Во-первых, не следует думать, что полное отсутствие ответвлений» (в англоязычной литературе такие ответвления называют “stub”) безусловно решает проблему. Микросхема-драйвер не расположена непосредственно на клеммах (так что ответвление в несколько сантиметров гарантировано). Кроме того, излом кабеля, подошедшего и отошедшего от прибора сам по себе (если кабель не экранированный) ведет себя подобно ответвлению. Наконец, любой подключенный прибор сам по себе является нарушением идеальности кабельной линии – входное сопротивление приемника не бесконечно, а потому нет смысла идеалистически полностью устранять ответвления, нарушающие идеальную картину непрерывной кабельной линии.
Каковы же реальные (на основе физических законов) ограничения на ответвления? Наиболее распространена рекомендация делать ответвления длиной не более четверти времени нарастания фронта сигнала на линии. В таком случае невозможны нарушения сигнала более чем на четверть амплитуды, а с учетом неизбежного затухания всег отражении – ими точно можно пренебречь в цифровой системе (кстати, в системах, передающих аналоговый сигнал – например, НЧ видеосигнал по коаксиальному кабелю – такие искажения были бы недопустимы, там возможны ответвления не более нескольких процентов от времени фронта самого быстрого сигнала). Не удивляйтесь, что я сравниваю длину кабеля и время – физики с очевидностью всегда пересчитывают время в расстояние через скорость света (точнее, через скорость распространения изучаемого сигнала, а электрические сигналы в проводах распространяются почти со скоростью света).
Итак, для стандартного RS485, типичное время нарастания фронта составляет менее 10 наносекунд, а потому допустимое ответвление получается примерно 1 метр. Совсем немного. Однако, вспомним, что типичной скоростью данных в охранных системах является 9600 бит в секунду. В лучшем случае 19200 бит в секунду. Зачем для этого передатчики, способные передавать наносекундные импульсы ? Конечно, это лишние траты энергии и создание себе лишних проблем. Широко выпускаются передатчики, у которых сознательно значительно снижена скорость нарастания. Они не могут передавать 15 Мбит в секунду, но нам это и не нужно. Типичная микросхема со специально ограниченной скоростью нарастания фронта обеспечивает надежную передачу сигналов до 250 кБит в секунду. Это тоже слишком много, но меньше практически не делают. У таких микросхем (практически все производители неторопливой охранной техники предпочитают именно их) время нарастания фронта составляет не менее 200 наносекунд, а, соответственно, допустимая длина ответвления – около 20 метров. Как правило, производители не пишут об этом в документации. Потому что вдруг иногда в спешке не ту микросхему поставят, да и вообще производители предпочитают иметь максимальный запас против возможных ошибок монтажа – но вы можете иметь в виду, что на самом деле в большинстве случаев ответвления до 100 метров вполне допустимы. Если надо, запросите производителя, он подтвердит. Или, если производитель не отвечает, опять применим реверс-инжиниринг: посмотрите какие применены микросхемы, их параметры (datasheet) легко найти в Интернете, вас интересует параметр «Driver Rise/Fall Time» (как вы понимаете, микросхемы импортные, и даташиты к микросхемам на импортном языке).
Кроме того, помните (см. предыдущие статьи), что в реальной жизни вообще проблемы согласования кабельной сети не столь важны. Отражения и дребезг, вызванные слишком большими ответвлениями, затухнут еще пока будут идти по этим ответвлениям, и уж точно не помешают передаче сигнала. Единственная рукотворная проблема, которая может помешать сигналу, это если монтажник на конце каждого такого ответвления поставит по согласующему резистору. Во всей кабельной сети должно быть не более двух резисторов. Что же делать, если ваша сеть похожа не на прямой отрезок, а на каракатицу или развесистое дерево (варианты (a) и (c) на картинке выше вполне могут образоваться, особенно в результате нескольких этапов улучшения и расширения системы). Выберите сами, какие два конца каких ветвей назначить основными (лучше самые длинные, и на которых много равномерно распределенных устройств) и там поставьте согласующие резисторы. А можете вообще их не ставить (если будут проблемы – тогда и попробуете подключить).
Теперь обговорим, сколько устройств может быть на одной сети RS485. Согласно стандарту – 32. Это обусловлено заложенными в стандарт требованиями на нагрузочную способность передатчика и на входное сопротивление приемника. Как вы уже догадались, большинство современных микросхем намного лучше, чем требовались в стандарте. Заглядываем в даташит – типичные значения допустимых количеств микросхем на линии 128 или 256. Однако в данном случае не все определяется микросхемой. Помните, RS485 по сути определяет лишь уровни напряжений на линии. Производители конкретного оборудования смаи придумывают логический протокол общения, а без определенных правил общения нельзя – ведь RS485 – протокол двунаправленный, все устройства могут и принимать и передавать информацию по одной и той же паре проводов, а потому должны быть строгие правила – когда кто передает, и пока один передает, все остальные обязательно слушают. Самое распространенное решение – система мастер-слэйв (по-русски ее раньше называли ведущий-ведомый, но я настолько уже привык к англоязычным калькам, что переучиваться не буду). Суть системы в том, что один прибор – мастер – решает кто и когда будет передавать. Изначально все слэйвы (пассивные, ведомые) слушают, и если мастер обратился к ним, то отвечают, а пока мастер к ним не обратится – сидят и не высовываются. У разных производителей бывают разные форматы команд. У одного производителя, например, адрес слэйва состоит из 24 бит, то есть в одной сети может быть формально до 16 миллионов устройств. Тут ограничение приходит от стандарта RS485 или от возможностей микросхемы – в любом случае можно включить не более 256 устройств. Однако, у другого известного мне производителя, протокол намного экономичнее. Типовой пакет занимает всего 1 байт, то есть 8 бит, из них 2 бита служебные и 6 бит задают адрес слэйва. Тут уж независимо от примененных микросхем можно задействовать не более 64 устройств.
Есть и еще более сложная проблема. Если применена опросная система (мастер по очереди опрашивает слэйвов), то время полного опроса всей системы пропорционально количеству устройств. Например, если опрос занимает передачу десятка байт туда и обратно, на скорости 9600 это займет 20 миллисекунд. Немного? а теперь умножьте на 256 – получите 5 секунд. Если для пожарной системы это еще может быть приемлемо, то для системы контроля доступа пожалуй тяжело найти клиента, готового ждать 5 секунд после поднесения карты – многие мои знакомые за это время выломают дверь и еще и настучат по голове тому, кто такую систему установил. Теперь понимаете, зачем был придуман упомянутый мной протокол, в котором один пакет занимает всего один байт? Увы, сколько именно времени занимает опрос всей системы – даже производитель представляет довольно смутно, ибо все зависит от ситуации. Чем более сложная и многофункциональная система, тем более вероятно, что после 30-ти устройств могут начаться изрядные задержки. А потому не стоит слепо верить рекламным утверждениям про 256 устройств на линии. Поставить-то 256 устройств можно, и работать система будет, но вот понравится ли вам как она работает ? Очень может быть, что все будет далеко не так прекрасно, как было на демонстрационном стенде с 2-мя или 3-мя устройствами.
Ну и, наконец, последний номер нашей программы. Усилители, разветвители и преобразователи сигнала.
Начнем с самого распространенного варианта – преобразователя RS232 в RS485. Суть проблемы в том, что, как упомянуто выше, в каждой системе приняты свои способы как решать, кто сейчас должен передавать данные и в каком направлении. Конвертор RS232/485, выпущенный уважаемой фирмой из континентального Китая, конечно, не знает, как устроен высокоуровневый протокол общения в системе, куда вы его применяете. RS232, к сожалению, изначально предназначен для передави данных в разные стороны по разным проводам, а потому ваш компьютер, к которому вы подключили конвертор, ВСЕГДА что-то передает по RS232. Конечно, чаще всего он передает «тишину», но конвертор не настолько умен, чтобы отличить «тишину» от длинной последовательности единиц. В большинстве случаев конвертор устроен просто – пока данные, передаваемые со стороны компьютера, меняются – он транслирует их на канал RS485. Как только компьютер задумался – конвертор отключает свой передатчик и слушает, что передают другие. Такие паузы очень нежелательны.
Абсолютно аналогично обстоит дело и с передатчиками RS485 по радиоканалу или по оптоволокну. Не существует гарантированного алгоритма, по которому конвертор RS485 в другой протокол может догадаться, когда в какую сторону он должен передавать данные. Я в свое время участвовал в производстве конверторов RS485 в оптоволокно. За несколько лет по требованиям разных клиентов для разных систем мы встроили в устройство 6 (шесть!) разных алгоритмов. Не от хорошей жизни, каждый новый алгоритм оказывался единственным, работающим в очередной системе.
То же самое относится и к «мостам» или «репитерам». Подобные устройства могут работать лишь в очень ограниченном числе случаев, и только если «репитеры» произведены тем же производителем, что и остальные RS485 устройства в системе. Тогда эти «репитеры» будут точно «знать», когда переключаться с приема на передачу и смогут работать, хотя бы даже в некоторых условиях.
А теперь немного более утешительных слов. Конверторы USB-RS485, а также конверторы Ethernet-RS485 работают значительно более надежно, поскольку USB и Ethernet – это очень грамотно стандартизованные протоколы, они содержат в себе всю необходимую информацию – когда, и какая информация, в какую сторону передается. Единственная проблема – Ethernet может добавлять непредсказуемую задержку при передаче данных, а многие протоколы типа мастер-слэйв, работающие по RS485 и не знающие о наличии промежуточных конверторов при передаче сигнала, воспримут задержку как потерю связи. В локальной сети при небольшой ее загрузке это пройдет, а если вы примените такие конверторы для передачи через Интернет – скорее всего, ничего не получится. Ну и в любом случае и конвертор USB-RS485 и конвертор Ethernet-RS485 может применяться только для связи компьютера с сетью устройств RS485. Для связи между двумя аппаратными устройствами применить такие конверторы не получится у них нет ни Ethernet ни USB.
Уффф! Вот и окончен многотомный труд по описанию особенностей и подводных камней, присутствующих в таком привычном протоколе связи, как RS485. Уже 40 лет этот протокол применяется по всему миру, но так и не был толком стандартизован, остался очень нишевым решением, применяемым в частных системах, не предназначенных для взаимодействия с другими системами. И хотя его почтенный возраст вызывает ощущение, что он прост, привычен и понятен, это ощущение ложно и легко приводит к проблемам при запуске реальных систем. Большинство фактов об RS485 на поверку оказываются не более чем традиционными заблуждениями. Тем не менее, для того, чтобы действительно понять, как он работает, достаточно школьных знаний – закона Ома и закона Ломоносова (про то, что ничего никуда не девается и не берется ниоткуда). Плюс, конечно, умение применять эти знания, которым и должен настоящий инженер выделяться среди, увы, многих носителей дипломов о высшем образовании.
www.sigma-is.ru