RS-485 для чайников

(c) 2003 Евгений Александрович Бень

Содержание

Вступление

В этой статье я попытался собрать начальную информацию об устройствах, полезные добытые сведения (с ссылками) и собственный опыт.

1. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART)

Возможно, связь через асинхронный последовательный порт уходит в прошлое, однако сложно найти контроллер, не имеющего в составе своей периферии UART. Поэтому хоронить его, думаю, рановато. Раз так, то будет нелишним сказать пару слов о том, как оно работает. Описание конкретной реализации последовательного порта есть в datasheet на каждый контроллер, поэтому опишу общее для всех.

Электрический сигнал кадра посылки выглядит так:

Перед началом связи между двумя устройствами необходимо настроить их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра.

Формат кадра определяет число стоп-битов (1 или 2), число бит данных (8 или 9), а также назначение девятого бита данных. Все это зависит от типа контроллера.

Поскольку бодрейт устанавливается делением системной частоты, при переносе программы на устройство с другим кварцевым резонатором, необходимо изменить соответствующие настройки UART.

2. Интерфейс RS-485

3. Согласование и конфигурация линии связи

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 (Zв=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 линии. Более подробно о правильных и неправильных конфигурациях сети можно прочитать в статье «Правильная разводка сетей RS-485».

4. Защитное смещение

Обратите внимание: в расчете номинала Rзс учитывается нагрузка. Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс дожен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать 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.

Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты:

Безотказность в открытых цепях. (Open circuit failsafe.) В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы. Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение обеспечивается только для открытых (ненагруженных) дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако, если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120 Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60 Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому, если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае, остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

6. «Горячее» подключение к линии связи

7. Рекомендации по организации протокола связи

В централизованной сети одно устройство всегда ведущее (мастер). Оно генерирует запросы и команды остальным (ведомым) устройствам. Ведомые устройства могут передавать только по команде ведущего. Как правило, обмен между ведомыми идет только через ведущего, хотя для ускорения обмена можно организовать передачу данных от одного ведомого к другому по команде ведущего.

В децентрализованной сети роль ведущего может передаваться от устройству к устройству либо по некоторому алгоритму очередности, либо по команде текущего ведущего к следующему (передача маркера ведущего). При этом ведомое устройство может в своем ответе ведущему передать запрос на переход в режим ведущего и ожидать разрешения или запрета.

В общем случае посылка по последовательному каналу состоит из управляющих байтов (синхронизация посылки, адресов отправителя и получателя, контрольной суммы и пр.) и собственно байтов данных.

Протоколов существует множество и можно придумать еще больше, но лучше пользоваться наиболее употребительными из них. Одним из стандартных протоколов последовательной передачи является MODBUS, его поддержку обеспечивают многие производители промышленных контроллеров. Но если Вам нужно буквально «два байта переслать» или просто освоить методы связи и не хочется из-за этого изучать систему команд модбаса и писать для него драйвер, предлагаю варианты относительно простых протоколов. (И все-таки в дальнейшем стоит ориентироваться именно на MODBUS.)

1). Часто встречаются протоколы на основе ASCII-кода. Управляющие символы и данные передаются в виде обыкновенных ASCII символов. Посылка может выглядеть так:

UART некоторых контроллеров, например C167 (Infineon) может в особом режиме (wakeup) автоматически распознавать в полученном байте девятый бит и генерировать прерывание при получении только управляющего символа. Адресуемое устройство при этом нужно переключить в режим обычного приема до следующего управляющего символа. Это позволяет остальным устройствам сэкономить время на обработке прерываний при получении байтов данных, адресованных не им.

Если требуется сопряжение системы и компьютера с Windows, такой протокол лучше не применять, так как у Windows могут быть проблемы с распознанием девятого бита в UART.

8. Программные методы борьбы со сбоями

Для повышения надежности связи обязательно нужно предусмотреть программные методы борьбы со сбоями. Их можно условно разделить на две группы: защита от рассинхронизации и контроль достоверности.

1). Защита от рассинхронизации. Несмотря на защитное смещение, сильная помеха может пробиться в линию без активных передатчиков и нарушить правильную последовательность приема посылок. Тогда возникает необходимость первой же нормальной посылкой вразумить принимающие устройства и не дать им принять помеху за посылку. Делается это с помощью синхронизации кадров (активная пауза) и синхронизации посылок (преамбула).

Защита от рассинхронизации кадров. Обязательная мера! Все последующие меры синхронизации посылок имеют смысл только совместно с этой. Помеха ложным старт-битом может сбить правильный прием кадров последующей посылки. Чтобы вернуться к верной последовательности, нужно сделать паузу между включением приемопередатчика на передачу и посылкой данных. Все это время передатчик удерживает в линии высокий уровень, через который помехе трудно пробиться (активная пауза). Паузы длительностью в 1 кадр на данной скорости связи (10-11 бит) будет достаточно для того, чтобы любое устройство, принимавшее помехи приняло стоп-бит. Тогда следующий кадр будет приниматься с нормального старт-бита.

Стартовый символ. В ASCII протоколе роль преамбулы играет специальный управляющий символ начала посылки. По каждому приему такого символа нужно сбрасывать буфер: обнулять число принятых байт, перемещать указатель на начало буфера и т.п. То же самое нужно делать при переполнении буфера. Это позволит настоящему управляющему символу сбросить предыдущую «посылку», начатую ложным символом.

Пример. Последний управляющий символ «:» сбросит предыдущую ложную посылку:

____ : ) ____ : 1 2 R S 4 8 5 /ПС/ ____

Вариант 1. Посылка начинает заново приниматься после приема «go!» (вместо символов могут быть любые 8-битные данные):

Вариант 2. Посылка начинает заново приниматься после приема не менее трех «E» подряд и стартового байта «:» (вместо символов могут быть любые 8-битные данные):

2). Контроль достоверности. Особо сильная помеха может вклиниться в посылку, исказить управляющие символы или данные в ней, а то и вовсе уничтожить ее. Кроме того, одно из подключенных к линии устройств (абонент) может выйти из строя и перестать отвечать на запросы. На случай такой беды существуют контрольная сумма, тайм-ауты и квитирование.

9. Защита устройств от перенапряжений в линии связи

Гальваническая развязка линии и устройств осуществляется либо опторазвязкой цифровых сигналов (RO, DI, RE, DE) с организацией изолированного питания микросхем приемопередатчиков, либо применением приемопередатчиков со встроенной гальванической развязкой сигналов и питания (например, MAX1480). Тогда вместе с дифференциальными проводниками прокладываются провод изолированной «земли» (сигнальной «земли») и, возможно, провод изолированного питания линии.

Замыкание на высоковольтные цепи. Если существует опасность попадания на 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.

10. Дополнительные меры защиты от помех

Экранирование и заземление. В промышленных условиях, тяжелых в плане электромагнитного шума, рекомендуется применять экранированный кабель с витой парой. Экран, охватывающий проводники линии, защищает их от паразитных емкостных связей и внешних магнитных полей. Экран следует заземлять только в одной из крайних точек линии. Заземление в нескольких точках недопустимо: из-за разности потенциалов местных «земель» по экрану могут протекать существенные токи, которые будут создавать наводки на сигнальные проводники. Некоторые разработчики рекомендуют для защиты от радиопомех дополнительно включать в нескольких местах между экраном и заземлением специальные высокочастотные конденсаторы емкостью 1. 10 нФ.

Индуктивные фильтры. Если в линию все же попадают высокочастотные помехи, их можно отсеять индуктивными фильтрами. Существуют специальные индуктивные фильтры, предназначенные для подавления высокочастотных помех в линиях связи. Они последовательно включаются в линию непосредственно у приемников. Например, B82790-S**** фирмы Epcos, выполненный в виде четырехполюсника, через который витая пара подсоединяется к приемнику.

Заключение

Я не претендую на полноту сведений о физических и программных тонкостях связи по интерфейсу RS-485. Однако, полагаю, что еще одно изложение темы, немного по другому сформулированное, и к тому же дополненное личным опытом не будет лишним для разработчиков, только начинающих разбираться в этой области. Надеюсь, приведенная информация поможет Вам в организации беспроблемной и надежной связи.

Источник

Внутри изолированного приемопередатчика RS-485

Intersil ISL32704E

Изоляция служит средством предотвращения протекания тока между двумя точками обмена информацией, не создающим препятствий для передачи сигналов данных и питания. Она не позволяет высоким напряжениям повредить чувствительные электронные компоненты или причинить вред человеку. Изоляция поддерживает целостность сигналов, исключая появление контуров в цепях заземления линий связи с большими разностями потенциалов между землями.

Изменившееся за последнее десятилетие законодательство теперь требует, чтобы в системах передачи данных оборудования и машин, работающих в жестких условиях эксплуатации, использовалась изоляция. Это потребовало замены устаревших одноканальных изолированных систем приложениями с многоканальной изоляцией на основе новых компонентов. Многие из этих приложений связаны с обменом данными в телекоммуникационных и промышленных сетях, медицинском оборудовании, интерфейсах датчиков, устройствах управления двигателями и приводами, а также в контрольно-измерительных приборах.

В этой статье основное внимание уделено изолированному цифровому интерфейсу RS-485, до сих пор остающемуся промышленным стандартом для передачи данных. Будет представлен обзор методов определения диапазона синфазных напряжений (common-mode voltage range – CMVR) и способов изоляции сигнальных и питающих цепей приемопередатчика от схемы локального контроллера, обеспечивающих защиту от высоких синфазных напряжений. В конце статьи будет представлен новый изолятор интерфейса RS-485, основанный на технологии гигантского магнетосопротивления (giant magnetoresistance – GMR – ГМС), и рассмотрены ее преимущества в сравнении с другими технологиями изоляции.

Диапазон синфазных напряжений

Стандартом RS-485 диапазон синфазного напряжения (V_CM) определен в пределах от –7 В до +12 В. Рисунок 1 показывает, что это напряжение является суммой синфазного выходного напряжения драйвера передатчика V_OC, разности потенциалов между точками заземления приемника и передатчика (GPD) и напряжения шума V_N, возникающего на длине линии.

Рисунок 1.	Синфазное напряжение VCM в неизолированном канале RS-485: VCM = VOC + GPD + VN.

Драйвер передатчика формирует симметричный дифференциальный выходной сигнал V_D относительно синфазной составляющей, равной

при этом напряжение на одном из выходов линии равно

а на комплементарном ему выходе

Приемник обрабатывает только дифференциальную составляющую сигнала в пределах CMVR, удаляя любые синфазные компоненты. Это достигается с помощью внутреннего делителя напряжения, одинаково ослабляющего синфазный и дифференциальный сигналы (Рисунок 2). Затем последующий дифференциальный компаратор формирует разность двух ослабленных входных сигналов, тем самым, усиливая только дифференциальную составляющую.

а) б) в)
Рисунок 2.	Эквивалентная схема входной цепи приемника (а), ее упрощенное представление для синфазных сигналов (б) и дальнейшее упрощение для VCM (в).

Поскольку делители напряжения эквивалентны синфазным сопротивлениям (R_CM), подключенным между каждым входом и землей приемника, на них падает все синфазное напряжение, поступающее с линии передачи данных. Это означает, что приемник стандартного приемопередатчика должен правильно детектировать дифференциальные входные напряжения во всем диапазоне CMVR от –7 В до +12 В.

Для противодействия более высоким синфазным напряжениям V_CM, например, ±25 В, каскады ввода/вывода приемопередатчика модифицируются таким образом, чтобы транзисторы выходного драйвера имели бóльшие пробивные напряжения, а входные напряжения приемника ослаблялись высокоомными делителями с более высокими коэффициентами деления.

Для очень высоких синфазных напряжений (в сотни вольт) необходимо введение гальванических барьеров, устраняющих высокие напряжения на клеммах приемопередающей шины.

Расширение CMVR с помощью изоляции

На Рисунке 3 показан пример изолированной линии передачи данных, в которой изоляция реализована только между приемником и локальным контроллером. Правильно выполненная гальваническая развязка должна включать как питающие, так и информационные линии. Изоляция питающих цепей обеспечивается с помощью изолированного DC/DC преобразователя, передающего энергию из привязанных к земле шин микроконтроллера (МК) V_CC2 и GND₂ в изолированные шины приемопередатчика V_CC2-ISO и GND_2-ISO с плавающим потенциалом.

Рисунок 3.	Синфазное напряжение VCM в изолированном канале RS-485.

Для изоляции цепей передачи данных используется цифровой изолятор сигналов (ISO). Со стороны кабеля узлы изолятора питаются от шин V_CC2-ISO и GND_2-ISO, а со стороны контроллера – от V_CC2 и GND₂.

Поскольку ток всегда возвращается к своему источнику, какое-либо взаимодействие между изолированными шинами питания приемника и неизолированными шинами питания драйвера в этой схеме отсутствует.

Из Рисунка 3 хорошо видно, что разность потенциалов GPD находится в пределах между GND₁ и GND₂, как и синфазное напряжение между сигнальными проводами и GND₂. Однако изолирующий барьер отделяет общий провод приемника от GND₂, превращая его в проводник с плавающим потенциалом (GND_2-ISO).

Эта ситуация поясняется Рисунком 4, на котором приведена эквивалентная схема изолированного приемного узла для синфазных напряжений. В связи с тем, что огромное сопротивление изолирующего барьера (R_ISO = 10 14 Ом) соединено последовательно с намного меньшим синфазным сопротивлением (R_CM = 10 5 Ом), все напряжение V_CM падает на сопротивлении R_ISO, не оказывая влияния на приемник (V_Rcm = 0 В). Кроме того, поскольку потенциал GND_2-ISO отслеживает входное напряжение, не нужно беспокоиться о том, что напряжение на входе приемника относительно его общего провода превысит допустимое значение. Ввиду того, что потенциал V_CC2-ISO также привязан к GND_2-ISO, изолированный приемник будет обеспечен надлежащим питанием, независимо от уровня синфазного напряжения.

Рисунок 4.	Эквивалентная схема изолированного приемного узла. Напряжение VCM падает на сопротивлении RISO.

Обратите внимание, что на Рисунках 3 и 4 изоляция показана только для приемного канала (Rx), однако изолированный узел RS-485 требует четырех каналов (Рисунок 5) для сигналов приема и передачи данных, а также для управления передатчиком и приемником.

Рисунок 5.	Изолированный приемопередатчик RS-485.

При двухточечном соединении для предотвращения возникновения паразитных земляных контуров достаточно изолировать только один из узлов, оставив другой узел неизолированным. Однако в многоточечных системах передачи данных обычно изолируют каждый узел, чтобы иметь возможность многократного использования его схемы и упростить производство печатных плат. Пример изолированной многоточечной шины показан на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Изолированная многоточечная шина.

В современных изоляторах RS-485 функции приемопередатчика и изоляции объединены на одном кристалле, что позволяет экономить огромное пространство при разработке приемопередающих узлов. В изоляторе ISL32704E на Рисунке 7 использована технология ГМС, благодаря которой появилась возможность создать устройство с минимальными размерами, но с максимально надежными изолирующим структурами.

Рисунок 7.	Самый миниатюрный в мире 2.5-киловольтовый изолятор RS-485 со скоростью передачи данных 4 Мбит/с.

Например, за счет оптимизации топологии и методов проектирования удалось изготовить показанный на Рисунке 7 изолятор в корпусе QSOP размером 4 мм × 5 мм с колоссальной электрической прочностью 600 В и сроком службы барьера 44,000 лет. Это на 50% больше рабочего напряжения 400 В конкурирующих технологий, обеспечивающих функциональною изоляцию 2.5 кВ. Кроме того, устройство внесено в список компонентов, разрешенных UL, и сертифицировано международной электротехнической комиссией по стандарту VDE.

Работа изолятора ГМС иллюстрируется Рисунком 8. Буферизованный входной сигнал подается на входную катушку, которая создает магнитное поле, изменяющее сопротивления ГМС резисторов GMR1– GMR4. Эти резисторы образуют мост Уитстона, выходное напряжение которого определяется только изменениями магнитного поля входной катушки. При этом сильные внешние магнитные поля воспринимаются как синфазные, и поэтому подавляются конфигурацией моста. К выходу моста подключен компаратор, выходное напряжение которого по фазе и форме идентично входному сигналу.

Рисунок 8.	Одноканальный ГМС изолятор.

Принцип действия ГМС резистора поясняется Рисунком 9. Резистор состоит из слоев B1 и B2, выполненных из ферромагнитного сплава, между которыми расположен ультратонкий немагнитный проводящий слой А, обычно изготовляемый из меди. Структура ГМС такова, что в отсутствие магнитного поля магнитные моменты B1 и B2 имеют противоположные направления, что вызывает сильное рассеяние электронов в поперечном направлении слоя А, резко увеличивающее его сопротивление протеканию тока I. При воздействии магнитного поля H магнитные моменты B1 и B2 выравниваются, и рассеяние электронов уменьшается, в результате чего снижается сопротивление слоя А и увеличивается ток через резистор.

Рисунок 9.	Многослойный ГМС резистор.

В отличие от емкостных и индуктивных изоляторов, требующих высокочастотной несущей или широтно-импульсной модуляции для передачи через барьер постоянного тока и низкочастотных сигналов, изоляторам ГМС такие причудливые схемы кодирования не нужны. Кроме того, им не требуются мощные прожорливые катушки или трансформаторы, поскольку передача сигнала практически не требует энергии. Все это не только значительно снижает потребление тока (Таблица 1), но также сводит к ничтожному уровню собственные излучения (Рисунок 10). Кроме того, из-за отсутствия импульсных последовательностей или радиочастотных несущих изоляторы ГМС имеют очень низкую чувствительность к электромагнитным помехам.

Таблица 1.	Зависимость потребляемого тока от скорости обмена
Скорость обмена [Мбит/с] IDD1 [мА] IDD2 [мА] 1 0.15 0.15 4 0.6 0.6

Рисунок 10.	Необнаружимый уровень излучений ГМС изолятора.

Заключение

ГМС – это не просто еще одна технология изоляции, а скорее технология изоляции высокоскоростных и сверхскоростных систем передачи данных. Происходящая практически без потерь передача энергии в сочетании с крошечными размерами обеспечивает субнаносекундные времена прохождения барьера. Наносекундные задержки распространения, указанные в техническом описании ISL32704E, вносятся главным образом буфером ввода-вывода и приемопередатчиком.

ГМС изоляторы не заменят оптроны в приложениях со скоростью обмена от 0 бит/с до 1 Мбит/с, но обеспечат дополнительную изоляцию в области высоких и сверхвысоких частот. Тот факт, что изоляторы ГМС являются единственными изоляторами, невосприимчивыми к однократной и общей дозам ионизирующего облучения, делает эту прекрасную технологию применимой в космических и военных приложениях.

Материалы по теме

Перевод: ShuRusu по заказу РадиоЛоцман

Источник