Czym jest RS-485?

Rys.1. Magistrala RS-485

Rys.2. Transmisja w RS-485: a) full-dupleks b) half-dupleks

Implementacja interfejsu wymaga protokołu sterującego wszystkimi węzłami za pomocą sygnałów kontrolnych, które pozwalają określić stan urządzenia i jego gotowość do nadawania lub odbierania informacji. Jest to konieczne, aby można było uniknąć sytuacji, w której więcej niż jedno urządzenie będzie żądało w danym czasie dostępu do sieci. W przeciwnym wypadku kilka urządzeń może jednocześnie rywalizować o możliwość transmisji.

Implementacja trybu full-dupleks wymaga oddzielnych magistrali do transmisji i odbioru (rys. 2).

Transmisja

Rys.3. Poziomy sygnałów wymagane w standardzie RS-485

Nadajnik w standardzie RS-485 powinien mieć wyjście różnicowe o poziomie napięcia minimum 1,5V, podczas gdy odbiornik powinien odbierać sygnały różnicowe o wartości przynajmniej 200mV. Wartości te pozwalają zrealizować niezawodną transmisję, nawet w przypadku znacznych strat sygnału w poszczególnych elementach toru transmisyjnego.

Zaletą RS-485 jest transmisja różnicowa realizowana za pomocą skrętki dwuprzewodowej, ponieważ w takim przypadku zewnętrzne zakłócenia jednakowo oddziałują na obie linie sygnałowe. Związany z tym sygnał wspólny jest eliminowany na wejściu różnicowym odbiornika. Jest to główny powód, dla którego standard RS-485 jest wykorzystywany w rozległych sieciach i w trudnych warunkach przemysłowych, gdzie mogą wystąpić zewnętrzne zakłócenia transmisji.

Okablowanie

Rys.4. Przykład parametrów przewodu transmisyjnego w RS-485

W zastosowaniach przemysłowych RS-485 wykorzystuje się kable o impedancji charakterystycznej 120Ω i przekroju 22AWG (ok. 0,6mm). Wymagane jest zastosowanie rezystorów dopasowujących, o wartości impedancji charakterystycznej przewodu. Ponadto w aplikacjach przeznaczonych do pracy w trudnym, przemysłowym środowisku, często są wprowadzane dodatkowe elementy w celu tłumienia sygnałów zakłócających.

Ważne jest zapewnienie jak najbardziej zbliżonych wartości rezystancji zastosowanych rezystorów, w celu uzyskania jednakowej częstotliwości odcięcia obu filtrów. Niedokładne sparowanie sprawia, że częstotliwości te różnią się i wówczas niepożądany sygnał wspólny jest traktowany jak różnicowy. Zmniejsza to odporność odbiornika na zakłócenia. Istotne jest również stosowanie jak najkrótszych przewodów łączących urządzenia w sieci z magistralą.

Rys.5. Tłumienie zakłóceń w przemysłowych rozwiązaniach RS-485

Istnieje związek między czasem narastania sygnału transmisyjnego i długością przyłączy. Na przykład, przy szybkości transmisji 1000kb/s i czasie narastania 100ns, maksymalna długość połączenia urządzenia z magistrala nie powinna przekraczać 2m, podczas gdy przy czasie narastania rzędu 500ns i transmisji 200kb/s możliwa długość przewodów łączących wzrasta do około 12m.

Tryb awaryjny

Rys. 6. Dodatkowy obwód typu failsafe

Rys.7. Dopuszczalna długość przewodu przy określonej szybkości transmisji

Tryb failsafe oznacza zdolność odbiornika do określenia stanu wyjściowego w przypadku braku sygnału na wejściu. Są trzy zasadnicze przyczyny, z powodu których może wystąpić brak sygnału. Pierwszą jest przerwanie przewodu transmisyjnego lub odłączenie urządzenia. Drugim przypadkiem jest zwarcie spowodowane uszkodzeniem izolacji różnicowej pary przewodów. Trzecią z możliwych przyczyn jest jednoczesny brak aktywności wszystkich węzłów sieci.

Wszystkie te sytuacje w standardowych urządzeniach wywołałyby ustalenie przypadkowego stanu wyjścia. Najnowocześniejsze rozwiązania zawierają układy, które w przypadku rozwarcia, zwarcia i braku aktywności sieci zapewniają na wyjściu odbiornika określony poziom sygnału. Jednak ze względu na charakterystyczne dla tych rozwiązań ograniczenia dopuszczalnego marginesu zakłóceń do 10mV, konieczne staje się stosowanie dodatkowych obwodów awaryjnych.

Rys.8. Metody redukcji różnicy potencjałów mas w rozległych sieciach

Rys. 9. Wykorzystanie izolacji galwanicznej w magistrali RS-485

Zewnętrzny obwód typu failsafe składa się z rezystancyjnego dzielnika napięcia, który zapewnia niezbędny poziom sygnału na wejściu odbiornika w sytuacji awaryjnej. Aby uzyskać odpowiedni odstęp od zakłóceń, wartość napięcia wejściowego odbiornika musi być sumą maksymalnego dopuszczalnego marginesu zakłóceń i progowej wartości napięcia wejściowego odbiornika (200mV). Bazując na rys. 6 można przedstawić sposób doboru rezystorów w dzielniku.

Zakładając następujące dane: źródło napięcia o wartości 4,75V (5V-5%), impedancja charakterystyczna przewodów magistrali: 120Ω oraz szum na poziomie 50mV z ilorazu (4,75∙60)/0,25 można wyznaczyć wartość całkowitej rezystancji, która wyniesie 1140Ω. Jest to suma rezystancji równoległego połączenia dwóch rezystorów RT=120Ω i dwóch rezystorów RB. Stąd iloraz (1140-60)/2 = 540Ω jest pokazana na rysunku wartością pojedynczego rezystora RB.

Obciążenie jednostkowe

Praktyczne możliwości sterowników w wielopunktowej magistrali RS-485 powodują konieczność ograniczenia obciążenia magistrali. To z kolei determinuje dopuszczalne rezystancje wejściowe poszczególnych węzłów sieci i w rezultacie decyduje o maksymalnej liczbie przyłączonych urządzeń. Specyfikacja RS-485 nie określa jednak tej liczby, a jedynie definiuje obciążenie magistrali w stanie ustalonym, używając do tego celu specyficznej jednostki, tzw. obciążenia jednostkowego (UL, unit load).

UL odpowiada rezystancji obciążenia o wartości około 12kΩ. Sterownik zgodny z tym standardem powinien mieć możliwość wysterowania 32 jednostek obciążenia o tej wartości.

Zastosowanie odbiorników stanowiących obciążenie o wartości 1/8UL pozwala do jednej magistrali dołączyć 256 węzłów, a w przypadku 1/2UL liczba stacji spada do 64. W ten sposób można określić także, jakie obciążenie jest dopuszczalne, aby można było zrealizować sieć o określonej liczbie węzłów. Przy wyznaczaniu maksymalnej liczby urządzeń w sieci należy uwzględnić także obwody failsafe. Zwiększają one pobór prądu i stanowią dodatkowe obciążenie, w związku z czym zmniejszają maksymalną liczbę węzłów sieci.

Szybkość transmisji, długość magistrali

Dopuszczalna długość magistrali jest determinowana przez straty sygnału w linii transmisyjnej oraz rozsynchronizowanie przy danej szybkości transmisji. Niezawodność transmisji gwałtownie spada przy rozsynchronizowaniu bitów danych powyżej 10% czasu trwania bitu. Na rys. 7. przedstawiono wykres zależności długości przewodu od prędkości transmisji w standardzie RS-485 przy rozsynchronizowaniu 10%.

Pierwszy fragment wykresu odpowiada zakresowi małej szybkości transmisji, w którym długość linii transmisyjnej jest przede wszystkim ograniczona przez straty sygnału związane z rezystancyjnym charakterem linii transmisyjnej. Wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału znaczącą rolę zaczyna odgrywać reaktancyjny charakter linii, co sprawia, że konieczne staje się stosowanie krótszych przewodów. W trzecim fragmencie wykresu straty sygnału w przewodzie można uznać za pomijalne i jedynie czas narastania sygnału determinuje maksymalną szybkość transmisji. Największa rekomendowana w standardzie prędkość transmisji to 10Mb/s. Obecnie jednak szybkie interfejsy pracują z szybkością rzędu 40Mb/s.

Izolacja

W przypadku odległych punktów nadawczych i odbiorczych mogą występować duże różnice potencjałów mas, które jako sygnał wspólny pojawiają się na wyjściu nadajnika. W przypadku, gdy wartości te są bardzo duże i przekraczają zakres napięć wejściowych odbiornika może nawet dojść do jego zniszczenia. W związku z tym, rozwiązanie z rys. 8a, w którym odniesieniem jest lokalny system uziemiania, nie jest zalecane.

Redukcja różnicy potencjałów mas poprzez ich bezpośrednie połączenie jest przedstawiona na rys. 8b. Jednak to także nie jest polecane rozwiązanie, ponieważ sprzyja powstawaniu pętli prądowej. Trzecia metoda z rys. 8c jest rekomendowana w standardzie RS-485. Polega ona na separacji masy urządzenia od lokalnego systemu uziemienia przy użyciu dodatkowych rezystorów. Mimo, że ten sposób zmniejsza pętlę prądową, to istnienie pętli uziemienia sprawia, że linie sygnałowe są narażone na wpływ zakłóceń.

Najlepszym dotychczas znanym rozwiązaniem w przypadku rozległych sieci jest zastosowanie izolacji galwanicznej. Wówczas linie sygnałowe poszczególnych węzłów magistrali są izolowane od lokalnych źródeł sygnału i zasilania. Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie izolacji zasilania za pomocą przetwornicy DC/DC oraz izolacji sygnału za pomocą izolatora cyfrowego z izolacją pojemnościową. Zapobiega to przepływowi prądu pomiędzy oddalonymi punktami masy, co pozwala uniknąć powstawania pętli prądowych.

Sytuacja taka została zilustrowana na rys. 9, gdzie przedstawiono przykładową magistralę w standardzie RS-485. Poza pierwszym węzłem, wszystkie pozostałe układy nadawczo-odbiorcze są przyłączone do magistrali za pomocą izolacji galwanicznej. Węzeł, który nie jest izolowany stanowi punkt odniesienia dla całej magistrali.

Monika Jaworowska