Rs 485 интерфейс напряжение: Что такое «интерфейс RS-485» (применительно к кабелям, производства НПП «Спецкабель»)

Скачать PDF

LTC2862–LTC2865 — это надежные приемопередатчики RS485/RS422 с устойчивостью к перенапряжению ±60 В и устойчивостью к электростатическому разряду ±15 кВ, что снижает количество отказов, вызванных электрическими перенапряжениями. Эти приемопередатчики представляют несколько новых возможностей для приемопередатчиков RS485, устойчивых к высокому напряжению: работа с напряжением питания от 3 В до 5,5 В, скорость передачи данных до 20 Мбит/с, диапазон синфазного напряжения ±25 В, выбираемая скорость нарастания, интерфейс для низковольтной логики и доступность в 3 мм × Пакеты DFN 3 мм.

Почтенная последовательная шина RS485 образует основу многих коммерческих и промышленных систем передачи данных. Сети на основе RS485 используются в самых разных приложениях, включая промышленные системы управления, системы диспетчерского управления и сбора данных, автоматизацию и безопасность зданий, управление освещением театров и концертных площадок, автобусы коммерческих самолетов и наземных транспортных средств, а также другие специализированные сетевые системы. Стойкость к электрическим перегрузкам является важным свойством приемопередатчиков RS485, используемых в этих приложениях, с риском повреждения проводки, падения напряжения на землю и индуцированных молнией перенапряжений.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing -pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate-from-3v-to-55v-supplies-and-withstand-60v-faults/figure-1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&amp ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 1. Это семейство надежных приемопередатчиков, устойчивых к высокому напряжению, включает в себя функции, обычно встречающиеся только в менее надежных ИС.

Однако большинству приемопередатчиков RS485, устойчивых к высокому напряжению, не хватает производительности и функций новейших приемопередатчиков RS485, не устойчивых к высокому напряжению. Трансиверы LTC2862–LTC2865 заполняют этот пробел, сочетая отказоустойчивость с расширенными возможностями, требуемыми в спецификациях для современных сетевых приложений.

3 В до 5,5 В Работа

Приемопередатчики RS485, устойчивые к высокому напряжению, обычно работают от источников питания 5 В, но питание 5 В быстро становится анахронизмом и редко используется в современных цифровых схемах. В некоторых случаях отказоустойчивый приемопередатчик RS485 является единственным 5-вольтовым компонентом в системе, требующим затрат на выделенное питание.

В отличие от некоторых приемопередатчиков, устойчивых к высокому напряжению, LTC2862–LTC2865 полностью соответствуют стандартам RS485 и RS422 при работе от источника питания 3,3 В. Конкурирующие детали иногда управляют уменьшенным V _OD при питании от 3,3 В. Приемопередатчики LTC2862–LTC2865 полностью совместимы с приемопередатчиками с питанием 5 В на той же шине при работе от источника питания 3,3 В или 5 В.

Логический интерфейс низкого напряжения

Многие микроконтроллерные системы работают при напряжении ниже 3,3 В. LTC2865 предоставляет средства для взаимодействия с логикой, работающей при напряжении до 1,65 В. АВ 9Контакт питания 0026 L и встроенные переключатели уровня переводят сигналы ввода/вывода с источника логической схемы V _L с более низким напряжением на источник питания с более высоким напряжением V _CC , используемый для питания приемника и передатчика RS485. Это устраняет необходимость во внешних переключателях уровня в системах RS485 со смешанным напряжением. Два источника питания могут включаться и выключаться независимо друг от друга.

Скорость передачи данных 20 Мбит/с или 250 кбит/с

Современные системы RS485 могут работать со скоростью передачи данных, превышающей возможности большинства приемопередатчиков, устойчивых к высокому напряжению. Например, очень популярные модели LT1785/LT179.1 трансиверы работают на максимальной скорости 250 кбит/с. LTC2862–LTC2865 обладают аналогичной устойчивостью к высоким напряжениям, но могут обмениваться данными в 160 раз быстрее на скорости до 20 Мбит/с.

Не всем системам требуется высокая скорость передачи данных. В приложениях, где достаточно 250 кбит/с, разработчик системы может предпочесть драйвер RS485 с переходами, управляемыми по нарастанию, с низким уровнем электромагнитных помех. LTC2862–LTC2865 удовлетворяют эту потребность. Эти детали выпускаются в двух версиях: высокоскоростная 20 Мбит/с LTC2862-1, LTC2863-1, LTC2864-1; и LTC2862-2, LTC2863-2, LTC2864-2 с ограничением скорости 250 кбит/с. LTC2865 поддерживает как высокоскоростной режим, так и режим передачи с ограничением по нарастанию, а также предоставляет дополнительный входной контакт для выбора между двумя режимами.

Диапазон напряжения синфазного сигнала ±25 В

Стандартные приемопередатчики RS485

работают в ограниченном диапазоне синфазных напряжений от –7 В до 12 В. В коммерческих или промышленных условиях замыкания на землю, шумы и другие электрические помехи могут вызывать синфазные напряжения, превышающие эти пределы. Идеальный приемопередатчик RS485 не только выдержал бы большие синфазные напряжения, но и продолжал бы отправлять и получать данные без сбоев.

Приемники в LTC2862–LTC2865 работают в расширенном диапазоне синфазных напряжений ±25 В. В приемниках используются биполярные дифференциальные входы с малым смещением в сочетании с высокоточными резистивными делителями для поддержания точных пороговых значений приемника в широком диапазоне синфазных напряжений. Передатчики работают при абсолютном максимальном напряжении ±60 В и потребляют или отдают ток до пределов, установленных их схемой ограничения тока.

LTC2862–LTC2865 превосходно подавляют синфазные помехи большой амплитуды, высокой частоты и скорости нарастания. На рис. 2 показан LTC2865, принимающий данные 10 Мбит/с с дифференциальным сигналом ±200 мВ, наложенным на синфазный сигнал 50VP-P 1 МГц, а на рис. 3 показан LTC2865, принимающий данные 20 Мбит/с с дифференциальным сигналом ±200 мВ, наложенным на шаг –12 В в синфазном режиме. напряжение с временем спада 10%–90% 36 нс. В шумной электрической среде это исключительное подавление синфазного сигнала может значительно повысить надежность передачи данных.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485 -RS422-трансиверы-работают-от-3В-до-55В-питания-и-выдерживают-60В-ошибки/рисунок-2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’& ;amp;amp;gt;

Рис. 2. LTC2865 принимает дифференциальный сигнал 10 Мбит/с ±200 мВ с синфазной разверткой 1 МГц 50VP-P.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422 -трансиверы-работают-от-3В-до-55В-питания-и-выдерживают-60В-ошибки/figure-3.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’&amp ;гт;

Рис. 3. LTC2865 принимает дифференциальный сигнал 20 Мбит/с ±200 мВ с синфазным шагом –12 В и временем спада 36 нс.

И высокоскоростная версия 20 Мбит/с, и версия LTC2862–LTC2865 с ограничением скорости 250 кбит/с содержат приемники с полной пропускной способностью 20 Мбит/с. Быстрый синфазный переходный процесс, такой как показанный на рис. 3, может создавать дифференциальное напряжение при его распространении по кабелю, если емкостные нагрузки на двух линиях не согласованы должным образом. Если результирующее дифференциальное напряжение превышает пороговое значение приемника, это может привести к изменению состояния приемника. В системах, где скорость передачи данных составляет ≤ 250 кбит/с, помехозащищенность приемников может быть увеличена путем добавления конденсатора емкостью 100 пФ–1 нФ на выводы приемника для фильтрации высокочастотного дифференциального шума, создаваемого синфазным шумом, действующим на несогласованные емкостные нагрузки.

Полная отказоустойчивость с симметричными порогами приемника

Эти устройства имеют функцию отказоустойчивости, которая гарантирует, что выход приемника находится в состоянии логической 1 (состояние ожидания), когда входы замкнуты накоротко, оставлены разомкнутыми или нагружены, но не возбуждены, в течение более 3 мкс. Задержка позволяет нормальным сигналам данных проходить через пороговую область, не интерпретируя это как отказоустойчивое состояние. Эта отказоустойчивая функция гарантированно работает для входов, охватывающих весь диапазон синфазных сигналов от –25 В до 25 В.

В микросхемах LTC2862–LTC2865 реализована функция отказоустойчивости с оконным компаратором (рис. 4). Компаратор имеет полностью симметричные пороговые напряжения положительного и отрицательного сигналов (обычно ±75 мВ). Разница напряжений между двумя пороговыми напряжениями сигнала составляет гистерезис сигнала (обычно 150 мВ). Кроме того, пороговое напряжение отказоустойчивости находится между пороговым напряжением отрицательного сигнала и 0 В с типичным значением –50 мВ. Разница между пороговым напряжением отрицательного сигнала и пороговым напряжением отказоустойчивости представляет собой гистерезис отказоустойчивости, обычно равный 25 мВ.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers -работает-от-3В-до-55В-поставок-и-выдерживает-60В-ошибки/figure-4.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’>

Рис. 4. Отказоустойчивый оконный компаратор.

Нормальный сигнал данных создает высокий уровень на выходе приемника RO, когда дифференциальное входное напряжение становится выше порогового напряжения положительного сигнала, и низкий уровень на RO, когда дифференциальное входное напряжение падает ниже порогового напряжения отрицательного сигнала. Функция отказоустойчивости срабатывает, когда дифференциальное входное напряжение становится выше порогового напряжения отказоустойчивости, но остается ниже порога положительного сигнала в течение времени, превышающего время ожидания отказоустойчивости. Когда таймер отказоустойчивости истекает, отказоустойчивость активируется, и RO принудительно устанавливается на высокий уровень. Он остается высоким до тех пор, пока дифференциальное входное напряжение не опустится ниже порогового напряжения отрицательного сигнала.

Многие приемопередатчики RS485 имеют асимметричные пороги приемника, которые используют только отрицательный порог сигнала и пороговые напряжения отказоустойчивости. Это обеспечивает эффективное безотказное обнаружение, но вызывает искажения в рабочем цикле выхода RO приемника в случае ослабленных сигналов с медленными фронтами. Симметричные пороги, используемые в LTC2862–LTC2865, поддерживают надлежащий рабочий цикл на выходе RO даже при сильно ослабленных сигналах (рис. 5), в то время как трансивер с асимметричными порогами вносит существенные искажения рабочего цикла (рис. 6).

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate -от-3В-до-55В-поставляет-и-выдерживает-60В-ошибки/figure-5. png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 5’>

Рис. 5. Рабочий цикл симметричного приемника LTC2865 с входным сигналом ±200 мВ 20 Мбит/с.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate-from -3v-to-55v-поставляет-и-выдерживает-60v-ошибки/figure-6.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 6’>

Рис. 6. Рабочий цикл асимметричного приемника конкурента с входным сигналом ±200 мВ 600 кбит/с.

Кроме того, гистерезис сигнала 150 мВ (типовой) приемников LTC2862–LTC2865 обеспечивает превосходную помехоустойчивость по сравнению с приемниками с асимметричными порогами приемника. Шумовые переходные процессы, которые на мгновение превышают порог отказоустойчивости, но возвращаются ниже отрицательного порога сигнала, вызывают ошибочный высокий выходной сигнал RO в асимметричном приемнике (рис. 8), но отфильтровываются таймером отказоустойчивости в симметричных приемниках LTC2862–LTC2865 (рис. 7). .

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate-from-3v -к-55В-снабжает-и-выдерживает-60В-ошибки/рисунок-7.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 7’>

Рис. 7. Симметричный приемник LTC2862, подавляющий шумовой импульс +100 мВ на дифференциальном входе –200 мВ.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate-from-3v-to -55v-снабжает-и-выдерживает-60v-faults/figure-8.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 8’>

Рис. 8. Асимметричный приемник конкурента, реагирующий на шумовой импульс +100 мВ на дифференциальном входе –200 мВ.

Горячее подключение, горячая замена и бесперебойное включение и выключение питания

LTC2862–LTC2865 обеспечивают защиту от сбоев при включении и отключении питания, что соответствует требованиям горячего подключения (Hot Swap). Эти приемопередатчики не создают дифференциальных помех на шине, когда они подключены к шине в обесточенном состоянии или когда они включены, но отключены. Точно так же эти приемопередатчики не создают дифференциальных помех на шине, когда они включены в отключенном состоянии, когда они уже подключены к шине. В этих случаях выход RO приемника остается выключенным с выходом с высоким импедансом.

Если входы драйвера или приемника находятся во включенном состоянии во время включения или выключения питания, выходы совершают плавный переход в надлежащее состояние, когда источник питания проходит порог внутреннего детектора минимального напряжения питания приемопередатчика. У LTC2863 нет средств для отключения приемника или драйвера, поэтому он всегда включается с плавным переходом в полностью включенное состояние.

Пакеты и распиновка

LTC2862–LTC2865 предлагают четыре конфигурации контактов для удовлетворения широкого спектра требований приложений, причем каждая схема контактов предлагается в корпусах с выводами и без выводов.

LTC2862 : Полудуплексный LTC2862 с общими выводами приема и передачи является наиболее часто используемой версией. Он поставляется в 8-выводном корпусе SO и в небольшом 8-контактном безвыводном корпусе DFN размером 3 мм × 3 мм. LTC2862 в корпусе SO совместим со своим предшественником LT1785.

LTC2863 : LTC2863 представляет собой полнодуплексный трансивер с отдельными контактами приема и передачи, в котором отсутствуют контакты включения приемника и драйвера, чтобы поместиться в 8-контактный корпус. Как следствие, и драйвер, и приемник всегда включены, и у детали нет режима отключения. Как и LTC2862, он доступен в 8-выводном корпусе SO и в небольшом 8-выводном корпусе DFN размером 3 мм × 3 мм.

LTC2864 : LTC2864 — полнодуплексный трансивер с контактами включения. Он доступен в корпусе SO с 14 выводами для совместимости сокета с LT1791, а также в корпусе DFN с 10 выводами 3 мм × 3 мм.

LTC2865 : LTC2865 включает расширенный набор функций, доступных в остальных моделях семейства. Как и LTC2864, он предлагает полнодуплексную схему контактов и добавляет два дополнительных контакта: контакт VL для напряжения питания логического интерфейса и входной контакт SLO для выбора высокоскоростного режима или режима передатчика с ограничением по нарастанию.

Таблица 1. Распиновка и корпуса LTC2862–LTC2865

Номер детали	Дуплекс	Включает	В Л Штифт	Штифт ограничения поворота	Пакеты
LTC2862-1, –2	Половина	Да	№	№	S8: 8-ПРОВОД SO DD: 8-ПРОВОДНОЙ DFN
LTC2863-1, –2	Полный	№	№	№	S8: 8-ПРОВОДНОЙ SO DD: 8-ПРОВОДНОЙ DFN
LTC2864-1, –2	Полный	Да	№	№	S: 14 ВЫВОДОВ SO DD: 10 ВЫВОДОВ DFN
LTC2865	Полный	Да	Да	Да	MSE: 12-ОТВЕД. MSOP DE: 12-ОТВЕД. DFN

Неисправность ±60 В и допуск на электростатический разряд ±15 кВ

Проводные соединения

RS485 часто выполняются путем подключения оголенного скрученного провода к винтовым клеммным колодкам. В устройстве с интерфейсом RS485 могут размещаться цепи с питанием 24 В переменного/постоянного тока или другими напряжениями, которые также подключаются к винтовым клеммам. Обращение обслуживающего персонала с оголенными проводами и винтовыми клеммами сопряжено с риском повреждения электростатическим разрядом, в то время как возможность подключения кабелей к неправильным винтовым клеммам создает риск повреждения из-за перенапряжения. Высокое напряжение короткого замыкания и устойчивость к электростатическому разряду делают LTC2862–LTC2865 исключительно устойчивыми к повреждениям, вызванным этими опасностями.

Защита от короткого замыкания ±60 В микросхем LTC2862–LTC2865 достигается за счет использования высоковольтной технологии интегральных схем BiCMOS. Естественно высокое напряжение пробоя этой технологии обеспечивает защиту в выключенном состоянии и в условиях высокого импеданса. Выходы драйвера используют конструкцию ограничения тока с прогрессивной разверткой для защиты от перенапряжения, позволяя при этом управлять высоким выходным током. LTC2862–LTC2865 защищены от ошибок ±60 В, даже если GND разомкнут или V _CC разомкнут или заземлен.

LTC2862–LTC2865 защищены от электростатического разряда от персонала или оборудования до ±15 кВ (HBM) на контакты A, B, Y и Z по отношению к GND. Встроенные защитные устройства начинают работать при напряжении, превышающем приблизительно ±78 В, и безопасно проводят разрядный ток на вывод GND. Кроме того, эти устройства выдерживают разряды до ±15 кВ, даже когда часть находится под напряжением и работает без блокировки. Все остальные контакты защищены до ±8 кВ (HBM).

Расширенная защита от перенапряжений IEC, EFT, ESD и перенапряжения

Приемопередатчик RS485, используемый в промышленной среде, может подвергаться чрезвычайно высоким уровням электрических перенапряжений из-за грозового перенапряжения, быстрых электрических переходных процессов (EFT) при переключении сильноточных индуктивных нагрузок и электростатических разрядов (ESD) от персонала или оборудования, находящегося под напряжением. (Методы испытаний на ESD, EFT и скачки напряжения определены в стандартах IEC 61000-4-2, 61000-4-4 и 61000-4-5 соответственно.)

Переходные процессы, вызванные, в частности, испытаниями на перенапряжение, содержат намного больше энергии, чем могут поглотить встроенные устройства защиты от электростатического разряда LTC2862–LTC2865. Следовательно, для достижения высокого уровня защиты от перенапряжения необходима правильно спроектированная внешняя сеть защиты. Внешняя сеть также может повысить характеристики ESD, EFT и перенапряжения LTC2862–LTC2865 до чрезвычайно высокого уровня.

Сеть защиты, показанная на рисунке 9, демонстрирует, как высокое напряжение пробоя LTC2862–LTC2865 используется в схеме защиты, которая соответствует самым высоким установленным уровням защиты IEC (уровень 4) от перенапряжений, EFT и ESD, при этом увеличивая защиту от перенапряжения. отказоустойчивость до ±360В. Эта схема защиты поддерживает диапазон напряжения синфазного сигнала ±25 В и добавляет емкость всего ~8 пФ на линию (линия к земле), тем самым обеспечивая чрезвычайно высокий уровень защиты, не влияя на работу приемопередатчиков LTC2862–LTC2865.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/rs485-rs422-transceivers-operate-from-3v-to-55v -supplies-and-withstand-60v-faults/figure-9.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 9’>

Рис. 9. Сеть для защиты IEC уровня 4 от перенапряжения, EFT и электростатического разряда плюс защита от перенапряжения ±360 В.

Газоразрядные трубки (ГДТ) обеспечивают первичную защиту от скачков напряжения. Эти устройства обеспечивают очень низкий импеданс и высокую пропускную способность по току при срабатывании, безопасно отводя импульсный ток на землю.

Устройства блокировки переходных процессов (TBU) — это полупроводниковые устройства, которые переключаются из состояния прохождения с низким импедансом в состояние ограничения тока с высоким импедансом при достижении заданного уровня тока. Эти устройства ограничивают ток и мощность, которые могут проходить через вторичную защиту.

Вторичная защита состоит из двунаправленного тиристора, который срабатывает при напряжении выше 35 В для защиты выводов шины приемопередатчика LTC2862–LTC2865. Высокое напряжение срабатывания вторичной защиты поддерживает полный диапазон синфазных напряжений приемников ±25 В.

Последним компонентом сети является металлооксидный варистор (MOV), который фиксирует напряжение на TBU, чтобы защитить их от быстрых переходных процессов ESD и EFT, которые превышают время включения GDT. Высокая производительность этой сети обусловлена ​​малой емкостью ГРТ и тиристорных устройств первичной и вторичной защиты. Емкость MOV 130 пФ плавает в линии и шунтируется TBU, поэтому она не оказывает заметной емкостной нагрузки на сигнал.

Высокое напряжение пробоя и надежность LTC2862–LTC2865 являются важным элементом этой схемы защиты. Устройства SCR ± 35 В, используемые для поддержания диапазона синфазных напряжений, не защитят приемопередатчики с напряжением пробоя ниже ± 35 В. Кроме того, подключение MOV параллельно с TBU предотвращает нагрузку емкости MOV на шину RS485, но имеет недостаток, заключающийся в шунтировании тока ESD и EFT через устройства SCR. Результирующее падение напряжения на SCR помещается на выводы шины приемопередатчика. Эта уникальная топология с низкой емкостью может использоваться только с надежным высоковольтным приемопередатчиком.

Использование LTC2862 в приложениях Profibus

PROFIBUS — это полевая шина на основе RS485 с дополнительными требованиями к кабелям, межсоединениям, окончанию линии и уровням сигналов. На рис. 10 показан LTC2862-1 в сети PROFIBUS. Для полного соответствия PROFIBUS необходимо учитывать следующие соображения:

1. На каждом конце линии PROFIBUS должен быть установлен резистор 220 Ом между B и A, подтягивающий резистор 390 Ом между B и V _CC и 39Подтягивающий резистор 0 Ом между A и GND.

Резисторы 8,2 Ом

2. , включенные последовательно с контактами A и B LTC2862-1, необходимы для снижения размаха дифференциального напряжения V _OD , получаемого на конце 100-метрового кабеля с оконечной нагрузкой, до уровня менее 7 В в соответствии со стандартом PROFIBUS.
3. Полярность сигнала PROFIBUS противоположна правилам полярности, используемым в большинстве спецификаций приемопередатчиков RS485. Подключите контакт A к проводу PROFIBUS B (через последовательный резистор 8,2 Ом), а контакт B подключите к проводу PROFIBUS A (через последовательный резистор 8,2 Ом).
4. Подайте на приемопередатчик LTC2862-1 источник питания 5 В с допуском 5% (от 4,75 В до 5,25 В), чтобы обеспечить соблюдение допусков PROFIBUS V _OD .

Рисунок 10. LTC2862-1, совместимый с PROFIBUS линейный интерфейс.

Заключение

Разработчикам систем больше не нужно выбирать между надежной отказоустойчивостью и высокой производительностью приемопередатчиков RS485 и RS422 — приемопередатчики LTC2862–LTC2865 предлагают и то, и другое. Эти трансиверы выдерживают перенапряжение ±60 В и устойчивость к электростатическому разряду ±15 кВ, а также включают: работу при напряжении питания от 3 до 5,5 В, скорость передачи данных до 20 Мбит/с, диапазон напряжения синфазного сигнала ±25 В; выбираемая скорость нарастания, интерфейс для низковольтной логики; и доступность в упаковках DFN 3 мм × 3 мм.

Автор

Киаран Бреннан

Объяснение последовательного интерфейса

RS-485 | Устройства CUI

В мире доступных последовательных интерфейсов может быть трудно понять их различия и понять, когда использовать каждый из них. Как всегда говорил мой любимый профессор инженерного дела: «Прелесть стандартов в том, что их так много на выбор». Сегодняшние энкодеры умнее и совершеннее, чем когда-либо прежде, что требует от инженеров отказа от более простых квадратурных инкрементных датчиков и внедрения высокоскоростных абсолютных энкодеров с последовательными интерфейсами. А для промышленных приложений не все последовательные интерфейсы одинаковы. Соответствуя требованиям как высокой скорости, так и промышленной надежности, последовательный интерфейс RS-485 стал широко используемым интерфейсом для поворотных энкодеров и другого оборудования управления движением.

Что такое RS-485?

RS-485 — это промышленная спецификация, определяющая электрический интерфейс и физический уровень для двухточечной связи электрических устройств. Стандарт RS-485 позволяет прокладывать кабели на большие расстояния в средах с электрическими помехами и может поддерживать несколько устройств на одной шине.

Когда, зачем и где использовать RS-485

RS-485 использовался в широком спектре систем компьютерной автоматизации еще с момента создания стандарта в 1998. Благодаря тому, что стандарт допускает многоточечность (несколько устройств на одной шине) и большую длину кабелей, легко понять его частое использование в промышленных и автоматизированных помещениях. RS-485 также можно найти в театральных приложениях, где множество устройств разбросаны по огромному пространству.

Кроме того, помехоустойчивость, обеспечиваемая стандартом RS-485, делает интерфейс очень универсальным. Инженеры не только используют его для прокладки кабелей на большие расстояния, но и внедряют его в такие приложения, как автомобильная промышленность, где неясно, какой шум может возникнуть в конечном приложении. Возможность использования RS-485 на высоких скоростях, при длинных кабелях, в средах с электрическими помехами и с несколькими устройствами на одной шине делает его интеллектуальной реализацией для большинства приложений, требующих последовательного интерфейса.

Стандарт RS-485

RS-485, также известный как TIA-485 или EIA-485, — это стандарт, определяющий электрические характеристики драйверов и приемников для протокола связи. Модель взаимодействия открытых систем (OSI) пытается охарактеризовать различные уровни системы связи от конечного приложения, вниз через электрические уровни и, наконец, на физический уровень, рисунок 1.

Рисунок 1: Модель взаимодействия открытых систем (OSI)

Физический уровень модели OSI

Физический уровень модели OSI отвечает за передачу необработанных данных между устройством и физической средой передачи. Он обрабатывает преобразование электрических сигналов в цифровые данные, а также определяет напряжение, синхронизацию, скорость передачи данных и т. д.

RS-485 использует две сигнальные линии, «A» и «B», которые должны быть балансными и дифференциальными. Сбалансированные сигналы представляют собой две линии, которые разделяют пару в кабеле с витой парой с одинаковым импедансом на каждой линии. Наряду с согласованным импедансом линий также должен быть согласован импеданс приемника и передатчика. На рис. 2 показана типичная многоабонентская сеть RS-485, в которой каждое устройство имеет дифференциальный приемопередатчик RS-485, а связь между устройствами состоит из витой пары и оконечных резисторов.

Обратите внимание, что существуют различные топологии, которые можно использовать для размещения устройств, поскольку не все сети созданы одинаковыми, а требования к оконечной нагрузке, а также расположение устройств могут различаться. Например, на рис. 2 ниже заделка используется только в начале и конце кабеля.

Рис. 2: Типичная топология сети RS-485

Балансное подключение позволяет уменьшить шум при использовании дифференциальных сигналов. Эти сигналы «А» и «В» называются дифференциальной парой; один из сигналов соответствует исходному сигналу, а другой полностью инвертирован, поэтому его иногда называют дополнительным сигналом.

В несимметричном интерфейсе приемник соотносит сигнал с землей и определяет состояние сигнала на основе заданных уровней напряжения (они называются логическими уровнями, поскольку они определяют, является ли сигнал высоким или низким). Однако на больших расстояниях, где напряжение имеет тенденцию к падению, а скорость нарастания уменьшается, часто возникают ошибки сигнала. В дифференциальном приложении хост генерирует исходный несимметричный сигнал, который затем поступает на дифференциальный передатчик. Этот передатчик создает дифференциальную пару для передачи по кабелю. При генерировании двух сигналов приемник больше не соотносит уровень напряжения с землей, а вместо этого соотносит сигналы друг с другом. Это означает, что вместо того, чтобы искать определенные уровни напряжения, приемник всегда смотрит на разница между двумя сигналами. Затем дифференциальный приемник реконструирует пару сигналов обратно в один несимметричный сигнал, который может быть интерпретирован хост-устройством с использованием соответствующих логических уровней, требуемых хостом, рис. 3. Этот тип интерфейса также позволяет работать устройствам с разными уровнями напряжения. вместе посредством связи между дифференциальными трансиверами. Все это работает вместе, чтобы преодолеть ухудшение сигнала, которое могло бы произойти с несимметричным приложением при больших расстояниях кабеля.

Рисунок 3: Выходной сигнал энкодера, управляемый дифференциальным драйвером и реконструированный приемником

Ухудшение сигнала — не единственная проблема, возникающая при прокладке кабелей на большие расстояния. Чем длиннее кабели внутри системы, тем выше вероятность того, что электрические шумы и помехи попадут на кабели и, в конечном счете, в электрическую систему. Когда шум проникает в кабель, он проявляется в виде напряжения различной величины, но преимущество использования сбалансированного кабеля с витой парой заключается в том, что шум попадает в кабель одинаково на каждой линии. Например, положительный всплеск в 1 вольт приведет к +1 В на A и +1 В на B. Поскольку дифференциальный приемник вычитает сигналы друг из друга, чтобы получить восстановленный сигнал, он будет игнорировать шум, показанный одинаково на обоих проводах. , Рисунок 4. Способность дифференциального приемника игнорировать напряжения, одинаковые на обеих сигнальных линиях, называется подавлением синфазного сигнала.

Рисунок 4: Дифференциальный приемник, игнорирующий шум, общий для обоих сигналов

Одним из других основных преимуществ физического уровня RS-485 является спецификация напряжения сигнала. RS-485 не требует использования определенного напряжения на шине, а вместо этого определяет минимальное требуемое дифференциальное напряжение, которое представляет собой разность между напряжениями сигналов A и B. Для шины требуется минимальное дифференциальное напряжение +/- 200 мВ на приемнике, и, как правило, все устройства RS-485 будут иметь одинаковый диапазон входного напряжения, несмотря на передачу при различных напряжениях. Это означает, что любое устройство RS-485 способно принимать напряжение в диапазоне от -7 до 12 В, поэтому инженер может спроектировать хост-систему с любым напряжением передачи в этом диапазоне. Это позволяет разработчикам создавать системы RS-485, используя существующие напряжения на плате.

При этом важно проверить спецификации продукта, чтобы убедиться, что устройство поддерживает полный диапазон напряжения стандарта. Например, энкодеры RS-485 компании CUI Devices используют 3,3 В на плате, поэтому они используют передатчик RS-485 3,3 В. Тем не менее, они также устойчивы к входному напряжению в диапазоне от 0 до 12 В. Это позволяет им без проблем использовать одну и ту же шину RS-485 при нескольких различных напряжениях передачи в диапазоне от 0 до 12 В, если минимальное дифференциальное напряжение составляет +/- 200 мВ. как на приемнике, так и на передатчике. Это особенно важно, потому что с увеличением длины кабеля падает напряжение на сигнальных линиях. Хост-устройство может передавать с дифференциальным напряжением +/- 1 В, но при большой длине кабеля это напряжение может уменьшиться до +/- 200 мВ, что вполне приемлемо для RS-485, рис. 5.9.0006 Рисунок 5: Минимальные уровни сигнала шины RS-485 Рисунок 6: Модель OSI с определенным физическим уровнем . RS-485 чаще всего используется как полудуплексный, как показано на рисунках выше, только с одной линией связи («A» и «B» как пара). В полудуплексном режиме устройства по очереди используют одну и ту же линию, где хост устанавливает контроль над шиной и отправляет команду всем остальным прослушивающим устройствам. Предполагаемый получатель будет прослушивать свой адрес, а затем это устройство установит контроль и ответит. И наоборот, в полнодуплексной системе, такой как последовательный периферийный интерфейс (SPI) или универсальный асинхронный приемник-передатчик (UART), хост и ведомые устройства могут обмениваться данными одновременно, используя выделенные входные и выходные линии.

На уровне данных RS-485 обычно использует UART для последовательной связи, когда главный UART управляет и принимает последовательную связь в полнодуплексном режиме. Он подключен к дифференциальному приемопередатчику RS-485, который образует физический уровень и преобразует сигналы в полудуплексный дифференциальный формат для использования на шине RS-485. Затем хост свяжется с RS-485 через UART и сообщит трансиверу, когда переключаться между передачей и приемом. Ведомые устройства также будут использовать свой UART таким же образом.

UART, имеющий выделенные линии передачи и приема, позволяет ему работать в полнодуплексном, полудуплексном или даже симплексном режимах, что означает, что данные всегда передаются и поступают только по одной линии. Поскольку RS-485 обычно является полудуплексным, подключенный к нему UART также будет работать в полудуплексном режиме.

Рисунок 7: Обычное использование UART для RS-485

Интерфейс UART является асинхронным, что означает, что связь не включает часы. Главное и подчиненное устройства должны использовать свои собственные внутренние часы, и оба устройства должны знать, с какой тактовой частотой будут передаваться данные. Это отличается от синхронной системы, такой как последовательный периферийный интерфейс (SPI), где одна из сигнальных линий содержит часы, по которым прослушивающее устройство на шине может захватывать данные.

Кроме того, UART обычно имеет обычный формат , который будет использовать большинство устройств, но многие параметры можно настроить для изменения стандарта. В состоянии простоя UART находится под высоким напряжением, поэтому для начала передачи UART использует низкий импульс, называемый стартовым битом, за которым следуют 8 бит данных, и завершается высоким стоповым битом, рис. 8.

Рис. 8: кадрирование данных UART

Хост-процессор будет использовать вывод ввода-вывода для перевода приемопередатчика RS-485 в режим передачи и пошлет байт из линии TX UART в линию данных (D или DI) приемопередатчика RS-485. Приемопередатчик преобразует несимметричный битовый поток UART в дифференциальный битовый поток на линиях A и B, рис. 3. Сразу после того, как данные покидают приемопередатчик, хост переключает приемопередатчик в режим приема. Ведомая система идентична, что означает, что ведомый приемопередатчик RS-485 принимает входящий поток битов, преобразует его в несимметричный сигнал и отправляет его на главное устройство через линию приема UART ведомого устройства. Когда ведомое устройство готово ответить, оно передает так же, как изначально делал хост, в то время как хост теперь получает, рис. 9.

Рисунок 9: Хост отправляет команду через шину RS-485, а ведомое устройство отвечает Рисунок 10: Модель OSI с определенным уровнем канала передачи данных автобус. Поскольку RS-485 — это в основном электрическая спецификация, на этом разговор можно было бы закончить, но, поскольку он поддерживает многоабонентскую связь, необходимо учесть его в модели OSI.

Не существует установленной спецификации для адресации сетевого уровня, но мастер должен надлежащим образом управлять шиной RS-485, чтобы избежать коллизий шины. Коллизии шины происходят, когда несколько устройств пытаются установить связь одновременно, что может быть очень вредным для сети. Когда происходят коллизии, передатчики конфликтуют на обоих концах, и фактически оба создают короткие замыкания. Это приводит к тому, что каждое устройство потребляет большое количество тока, что может привести к отключению трансивера из-за перегрева.

Чтобы избежать коллизий, мастер управляет шиной и звонит отдельным устройствам. Чаще всего это достигается за счет наличия набора команд, который распознают только определенные устройства, или за счет наличия определенных адресов для каждого устройства. Поскольку шина является общей для всех устройств, каждое устройство увидит команду/адрес, отправляемые ведущим, но ответит только тогда, когда это отдельное устройство будет подтверждено.

Рисунок 11: Модель OSI с определенным сетевым уровнем

Прикладной уровень модели OSI

Модель OSI — это не набор правил, а скорее модель, помогающая инженерам характеризовать системы. RS-485 хорошо вписывается в первые три уровня модели OSI, а фактическая реализация шины определяется на прикладном уровне. Этот уровень охватывает адреса или наборы команд, используемые устройствами, а также интерпретацию данных. Это также включает в себя то, сколько данных разработчик может получить обратно, и управление самой шиной.

Например, приложение для кодера CUI Devices RS-485 будет хостом, запрашивающим абсолютное положение от устройства. Когда хост отправляет команду положения энкодера (адрес), энкодер отвечает двумя полными байтами. Затем хост расшифровывает эти байты, чтобы понять, что такое абсолютная позиция, при этом определяя, как часто отправлять команды и на какие устройства он хочет их отправлять. Проще говоря, прикладной уровень — это 9-й уровень.0330 реализация шины RS-485.

Поскольку стандарт RS-485 определяет только физический уровень и уровень канала передачи данных с требованием адресации, прикладной уровень может использовать различные проприетарные или открытые протоколы связи. Инженеры могут использовать существующие протоколы, такие как Modbus, или они могут определить свои собственные для своего приложения. Например, кодировщики CUI Devices используют очень упрощенную структуру адресации для подтверждения устройств, что обеспечивает быстрое выполнение и минимальное время обработки. Адрес каждого энкодера — это только шесть старших битов в байте, а младшие два бита — это команда. Это позволяет энкодеру начать свой ответ после получения всего одного байта от ведущего устройства, что обеспечивает малое время обработки, что имеет решающее значение в приложениях управления движением.

Рис. 12: Модель OSI полностью определена Кодировщики RS-485 устройств CUI

Кодировщики RS-485 устройств CUI

используют протокол быстрого позиционирования, который позволяет кодировщику сообщать позицию в течение одного байта. Как описано выше, этот формат поддерживает 64 уникальных адреса кодировщика. Адрес энкодера — это старшие 6 бит в байте, а младшие 2 бита — это команда. Эти адреса настраиваются с помощью программного обеспечения CUI Devices AMT Viewpoint™ и модуля программирования. Эти энкодеры имеют различные команды в зависимости от их версии, при этом все устройства поддерживают расширенные команды, такие как сброс или установка нулевой позиции.

Рис. 13. Формат адресации энкодера RS-485 устройств CUI.

Абсолютные энкодеры устройств CUI имеют разрешение 12 или 14 бит, однако все они отвечают двумя полными байтами на каждый запрос положения. Два полных байта составляют 16 бит, что позволяет кодировщику использовать два старших бита для вычисления контрольной суммы. Эта часть прикладного уровня позволяет хосту проверять данные, передаваемые кодером. Для 12-битных энкодеров передача будет иметь контрольные биты в двух старших битах, причем нижние два бита равны нулю, а 12 битов между ними содержат данные о положении.

Эти абсолютные энкодеры также доступны с многооборотной поддержкой, чтобы они могли подсчитывать количество оборотов. Это 14-битный счетчик со знаком, и данные передаются так же, как и позиция с двумя верхними битами, содержащими контрольную сумму. Поскольку счетчик со знаком , он может считать положительные и отрицательные обороты, но за счет одного бита данных. Это означает, что он может считать от -8192 до 8191.

Абсолютные энкодеры устройств CUI также доступны в высокоскоростной версии, работающей на скорости 2 Мбит/с с временем переключения, близким к 3 микросекундам. Однако для приложений, которые не могут справиться с высокими требованиями к скорости и времени, доступны версии с регулируемой скоростью передачи данных. Эти версии дают пользователям возможность выбирать частоты из списка с помощью AMT Viewpoint и модуля программирования, что упрощает реализацию, когда высокая скорость не требуется.

Заключение

Поддерживая высокие скорости, большие расстояния кабелей, устойчивость к электрическим помехам и несколько устройств на одной шине, RS-485 стал популярным последовательным интерфейсом в поворотных энкодерах благодаря своей универсальности в широком диапазоне приложений. Разработчики, желающие использовать энкодеры с интерфейсом RS-485, могут извлечь пользу из понимания деталей, изложенных выше, включая его различные уровни, реализацию и передовой опыт в общесистемной связи. Предлагая дополнительную надежность и промышленную надежность, абсолютные энкодеры AMT на емкостной основе с интерфейсом RS-485 от CUI Devices являются интригующим вариантом для приложений управления движением благодаря их высокой точности, низкому потреблению тока и устойчивости к загрязнениям окружающей среды.