Интерфейсы управления технологическим оборудованием

  Интерфейсы RS485, RS422, RS232. Принципы построения. Основные параметры

 

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIAM85-A и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматике. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

а) двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;

б) работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же;

в) линии, т.е. возможность организации сети;

г)  большая длина линии связи;

д) достаточно высокая скорость передачи.

Дифференциальная передача сигнала. В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отчитывается не от «земли», а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data - (рисунок 1). При этом напряжение каждой линии относительно «земли» может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7…4-12 В [2].

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data-h и Data- При разности напряжений более 200 мВ, до 4-12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В-логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

 

Рисунок 1 - Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной схеме

 

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

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по «правилу буравчика» оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

«Третье» состояние выходов. Второй особенностью передатчика D (D - Driver) интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в «третье» (высокоомное) состояние сигналом DE (Driver Enable) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рисунке 1 передачу выполняет устройство В, а прием - устройство С, то выходы передатчиков А и В переводятся в высокоомное состояние, т.е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков А и С не шунтирует линию.

Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request То Send) СОМ-порта.

Четырехпроводной интерфейс. Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рисунок 2), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рисунок 2).

Недостатком четырехпроводной (рисунок 2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Рисунок 2 - Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485 по двухпроводной схеме

 

Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется «приемом эха» и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.

Если порты RS-485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их «земель» могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем транси - веров (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS-485 и землей. При небольшой разности потенциалов «земли» для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS-485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы НИЛ АП - www. RealLab.ru).

Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты.

Если время распространения электромагнитного поля через кабель становится сравнимо с характерными временами передаваемых сигналов, то кабель нужно рассматривать как длинную линию с распределенными параметрами [2]. Скорость распространения электромагнитного поля в нем составляет 60…75% от скорости света в вакууме и зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектрика кабеля, сопротивления проводника и его конструктивных особенностей. При скорости света в вакууме 300000 км/с для кабеля длиной 1000 м можно получить скорость распространения электромагнитной волны в кабеле 200…225 км/с и время распространения 5,6 мкс.

Электромагнитная волна, достигая конца кабеля, отражается от него и возвращается к источнику сигнала, отражается от источника и опять проходит к концу кабеля. Вследствие потерь на нагрев проводника и диэлектрика амплитуда волны в конце кабеля всегда меньше, чем в начале. Для типовых кабелей можно считать, что только первые три цикла прохождения волны существенно влияют на форму передаваемого сигнала [2]. Это дает общую длительность паразитных колебаний на фронтах передаваемых импульсов, связанных с отражениями, около 33,6 мкс при длине кабеля 1 км. Поскольку в приемном узле универсальный трансивер (Universal Asynchronous Receive Transmit - UART) определяет логическое состояние линии в центре импульса, то минимальная длительность импульса, который еще можно распознать с помощью UART, составляет 33,6x2 = 67,2 мкс. Поскольку при NRZ кодировании минимальная длительность импульса позволяет закодировать 1 бит информации, то получим максимальную скорость передачи информации, которую еще можно принять несмотря на наличие отражений, равную 1/67,2 мкс = 14,9 кбит/с. Учитывая, что реально условия передачи всегда хуже расчетных, стандартную скорость передачи 9600 бит/с приближенно можно считать границей, на которой еще можно передать сигнал на расстояние 1000 м несмотря на наличие отражений от концов линии.

Рассмотренная ситуация ухудшается с ростом рассогласования между частотой синхронизации передатчика и приемника, вследствие которой момент считывания сигнала оказывается смещенным относительно центра импульса. Следует также учитывать, что на практике не все устройства с интерфейсом RS-485 используют стандартный UART, считывающий значение логического состояния посредине импульса.

 

Таблица 2 - Параметры интерфейса RS-485, установленные стандартом

Параметр	Минимум	Максимум	Условие
Выходное напряжение передатчика, В: без нагрузки с нагрузкой Ток короткого замыкания передатчика, мА Длительность переднего фронта импульсов передатчика, % от ширины импульса Синфазное напряжение на выходе передатчика, В Чувствительность приемника, мВ Синфазное напряжение на входе приемника, В Входное сопротивление приемника, кОм Максимальная скорость передачи, кбит/с, для кабеля длиной: 12 м 1200 м Примечание. Передатчик должен выде ду своими выходами, так и замыканш	1,5… - 1,5 1,5… - 1,5 -1 -7 12 10 100	6… - 6 5… - 5 ±250 30 3 ±200 +12 зжим корот. 2 В или -7	Rнагр = 0 Rнагр = 54 Ом Короткое замыкание выхода на источник питания +12 В или на -7 В RнагР = 54 Ом; Снагр = 5 пФ Rнагр = 54 Ом При синфазном напряжении от -7 до +12 В

 

При большей скорости передачи, например 115200 бит/с, ширина передаваемых импульсов составляет 4,3 мкс, и их невозможно отличить от импульсов, вызванных отражениями от концов линии. Используя вышеприведенные рассуждения, можно получить, что при скорости передачи 115200 бит/с максимальная длина кабеля, при которой еще можно не учитывать отражения от концов линии, составляет 60 м.

Для устранения отражений линия должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля:

,                             (1)

 

где R_о, L_o, G_o, С_о - погонные сопротивление, индуктивность, проводимость и емкость кабеля соответственно, jɷ - комплексная круговая частота.

Как следует из этой формулы, в кабеле без потерь волновое сопротивление не зависит от частоты, при этом прямоугольный импульс распространяется по линии без искажений. В линии с потерями фронт импульса «расплывается» по мере увеличения расстояния импульса от начала кабеля.

Отношение амплитуды напряжения отраженного синусоидального сигнала (отраженной волны) от конца линии к амплитуде сигнала, пришедшего к концу линии (падающей волны) называется коэффициентом отражения по напряжению [2], который зависит от степени согласованности волновых сопротивлений линии и нагрузки:

 

,                                  (2)

 

где R_Н - сопротивление согласующего резистора на конце или в начале линии (кабеля).

Случай Rн = Z₀ соответствует идеальному согласованию линии, при котором отражения отсутствуют (К_u = 0).

Для согласования линии используют терминальные (концевые) резисторы. Величину резистора выбирают в зависимости от волнового сопротивления используемого кабеля. Для систем промышленной автоматики используются кабели с волновым сопротивлением от 100 до 150 Ом, однако кабели, спроектированные специально для интерфейса RS-485, имеют волновое сопротивление 120 Ом. На такое же сопротивление обычно рассчитаны микросхемы трансиверов интерфейса RS 485. Поэтому сопротивление терминального резистора выбирается равным 120 Ом, мощность 0,25 Вт.

Резисторы ставят на двух противоположных концах кабеля. Распространенной ошибкой является установка резистора на входе каждого приемника, подключенного к линии, или на конце каждого отвода от линии, что перегружает стандартный передатчик. Дело в том, что два терминальных резистора в сумме дают 60 Ом и потребляют ток 25 мА при напряжении на выходе передатчика 1,5 В; кроме этого, 32 приемника со стандартным входным током 1 мА потребляют от линии 32 мА, при этом общее потребление тока от передатчика составляет 57 мА. Обычно это значение близко к максимально допустимому току нагрузки стандартного передатчика RS 485. Поэтому нагрузка передатчика дополнительными резисторами может привести к его отключению средствами встроенной автоматической защиты от перегрузки.

Второй причиной, которая запрещает использование резистора в любом месте, кроме концов линии, является отражение сигнала от места расположения резистора.

При расчете сопротивления согласующего резистора нужно учитывать общее сопротивление всех нагрузок на конце линии. Например, если к концу линии подключен шкаф комплектной автоматики, в котором расположены 30 модулей с портом RS-485, каждый из которых имеет входное сопротивление 12 кОм, то общее сопротивление всех модулей будет равно 12 кОм/ЗО = 400 Ом. Поэтому для получения сопротивления нагрузки линии 120 Ом сопротивление терминального резистора должно быть равно 171 Ом.

Отметим недостаток применения согласующих резисторов. При длине кабеля 1 км его омическое сопротивление (для типового стандартного кабеля) составит 97 Ом. При наличии согласующего резистора 120 Ом образуется резистивный делитель, который примерно в 2 раза ослабляет сигнал, и ухудшает отношение сигнал/шум на входе приемника. Поэтому при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) и большом уровне помех терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи.

В промышленных преобразователях интерфейса RS-232 в RS-485 согласующие резисторы обычно уже установлены внутри изделия и могут отключаться микропереключателем (джампером). Поэтому перед применением таких устройств необходимо проверить, в какой позиции находится переключатель

Интерфейс RS-422 используется гораздо реже, чем RS-485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS-232 работоспособен только на расстоянии до 15 м. Каждый передатчик RS-422 может быть нагружен на 10 приемников. Интерфейс работоспособен при напряжении до ±7 В.

 

Таблица 3 - Сравнение интерфейсов RS 232, RS-422 и RS-485

Параметр	RS-232	RS-422	RS-485
Способ передачи сигнала	Однофазный	Дифференциальный
Максимальное количество приемников	1	10	32
Максимальная длина кабеля, м	15	1200	1200
Максимальная скорость передачи, Мбит/с	0,460	10	30*
Синфазное напряжение на выходе, В	±25	-0,25…+6	-7…±12
Напряжение в линии под нагрузкой, В	±5… ±15	±2	±1,5
Импеданс нагрузки, Ом	3000…7000	100	54
Ток утечки в «третьем» состоянии, мкА	-	-	±100
Допустимый диапазон сигналов на входе	±15	±10	-7…±12
приемника, В
Чувствительность приемника, В	±3	±0,2	±0,2
Входное сопротивление приемника, кОм	3…7	4	^ 12
* Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не
является стандартной.

Интерфейс «токовая петля»

 

Интерфейс «токовая петля» используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [3]; позже, с 1962 г., получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться «токовая петля» 4…20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.), и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике «токовой петли» используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн и э.д.с. индуктивной помехи Е (рисунок 3), а также от напряжения питания источника тока Еп. Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка Е, э.д.с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле», и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

 

Рисунок 3 - Принцип действий «Токовой петли»

 

Рисунок 4 - Два варианта построения аналоговой «Токовой петли»: со встроенным в передатчик (а) и выносным (б) источником питания

 

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления R_H. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5, 5 или 10 В используют резистор сопротивлением 125, 250 или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рисунке 5 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался так же, как и для интерфейса RS-485 [3].

Рисунок 5 - Зависимость максимальной скорости передачи «токовой петли» от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА

 

Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0…20 и 4…20 мА; гораздо реже используют 0…60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4…20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте «4…20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0…20 мА», где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

На рисунке 4 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». В варианте а используется встроенный незаземленный источник питания Еп в варианте б источник питания - внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор Rо равен Кх/Rо, а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, ток через резистор строго равен току в петле (I = U_BX/Ro) и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки.

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Напряжение источника Е_п выбирается таким, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях Rо, Rн. Для этого выбирают Е > I·(Rо + Rкаб + Rн) + Uнас> где Uнас - напряжение насыщения транзистора (1…2 В). Например, при типовых значениях Rо = Rн = 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В.

В схемах на рисунке 4 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником.

Примером передатчика для аналоговой токовой петли является модуль NL-4AO (www. RealLab.ru), имеющий четыре канала вывода аналоговых сигналов, гальваническую развязку и предназначенный для вывода из компьютера и передачи на исполнительные устройства тока в стандарте 0…20 или 4…20 мА. Модуль содержит микроконтроллер, который осуществляет связь с компьютером по интерфейсу RS - 485, исполняет команды компьютера и выполняет компенсацию погрешностей преобразования с помощью коэффициентов, полученных при калибровке источников тока и хранимых в запоминающем устройстве ЭППЗУ (электрически программируемое постоянное запоминающее устройство). Преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал выполняется с помощью 4-канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для расширения функциональных возможностей модуль имеет также выходы напряжения (которые не имеют отношения к рассматриваемой теме).

Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0…20 мА», поскольку она реализуется гораздо проще, чем в версии «4…20 мА». Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания Е_п = 24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 мм² и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% общего сопротивления петли, и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» могут использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно. Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART.