Контрольні питання

1. Які існують рівні ієрархії сучасної системи керування?

2. Охарактеризуйте відмінності промислових мереж.

3. Що визначають поняття «протокол обміну інформацією», «стек протоколів»?

4. Основні типи даних, що передаються у промислових мережах.

5. Топології комп’ютерних мереж.

6. Основні параметри та характеристики промислових мереж.

7. Модель OSI, її переваги та недоліки.

Лекція 2. Інтерфейси RS-485, RS-422 і RS-232

2.1. Принципи побудови

2.2. Узгодження лінії з передавачем і приймачем

2.3. Усунення стану невизначеності лінії

2.4. Топологія мережі на основі інтерфейсу RS-485

2.5. Крізні струми

2.6. Інтерфейси RS-232 і RS-422

Інтерфейси RS-485 і RS-422 описані в стандартах ANSI EIA/TIA485-A і EIA/TIA-422. Інтерфейс RS-485 є найбільш поширеним в промисловій автоматиці. Його використовують промислові мережі Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus і безліч нестандартних мереж. Зв'язано це з тим, що за всіма основними показниками даний інтерфейс є якнайкращим зі всіх можливих при сучасному рівні розвитку технології. Основними його перевагами є:

• двосторонній обмін даними всього по одній витій парі проводів;

• робота з декількома трансиверами, підключеними до однієї і тієї ж лінії, тобто можливість організації мережі;

• велика довжина лінії зв'язку;

• достатньо висока швидкість передачі.

2.1. Принципи побудови

У основі побудови інтерфейсу RS-485 лежить диференціальний спосіб передачі сигналу, коли напруга, відповідна рівню логічної одиниці або нуля, відраховується не від «землі», а вимірюється як різниця потенціалів між двома передавальними лініями: Data+ і Data— (рис. 2.1). При цьому напруга кожної лінії щодо «землі» може бути довільною, але не повинна виходити за діапазон -7...4-12 В.

Приймачі сигналу є диференціальними, тобто сприймають тільки різницю між напругою на лінії Data+ і Data-. При різниці напруги більше 200 мВ, до +12 В вважається, що на лінії встановлено значення логічної одиниці, при напрузі менш -200 мВ, до -7 В — логічного нуля. Диференціальна напруга на виході передавача відповідно до стандарту повинна бути не менше 1,5 В, тому при порозі спрацьовування приймача 200 мВ перешкода (зокрема падіння напруги на омічному опорі лінії) може мати розмах 1,3 В над рівнем 200 мВ. Такий великий запас необхідний для роботи на довгих лініях з великим омічним опором. Фактично саме цей запас по напрузі і визначає максимальну довжину лінії зв'язку (1200 м) при низьких швидкостях передачі (менше 100 кбіт/с).

Рис. 2.1. З'єднання трьох пристроїв з інтерфейсом RS-485 по двопровідній схемі.

Завдяки симетрії ліній щодо «землі» в них наводяться перешкоди, близькі за формою і величиною. У приймачі з диференціальним входом сигнал виділяється шляхом віднімання напруги на лініях, тому після віднімання напруга перешкоди виявляється рівною нулю. У реальних умовах, коли існує невелика асиметрія ліній і навантажень, перешкода віднімається не повністю, але ослабляється істотно.

Для мінімізації чутливості лінії передачі до електромагнітного наведення використовується вита пара проводів. Струми, що наводяться в сусідніх витках унаслідок явища електромагнітної індукції, за «правилом свердлика» виявляються направленими назустріч одне-одному і взаємно компенсуються. Ступінь компенсації визначається якістю виготовлення кабелю і кількістю витків на одиницю довжини.

Другою особливістю передавача D (D — Driver) інтерфейсу RS-485 є можливість встановлення вихідних каскадів в «третій» (високоомний) стан сигналом DE (Driver Enable) (рис. 2.1). Для цього закриваються обидва транзистори вихідного каскаду передавача. Наявність третього стану дозволяє здійснити напівдуплексний обмін між будь-якими двома пристроями, підключеними до лінії, всього по двох проводах. Якщо на рис.2.1 передачу виконує пристрій В, а прийом — пристрій С, то виходи передавачів А і В переводяться у високоомний стан, тобто фактично до лінії виявляються підключені тільки приймачі, при цьому вихідний опір передавачів А і С не шунтує лінію.

Встановлення передавача інтерфейсу в третій стан здійснюється зазвичай сигналом RTS (Request To Send) СОМ-ПОРТА.

Інтерфейс RS-485 має дві версії: двопровідну і чотирипровідну. Двопровідна використовується для напівдуплексної передачі (рис. 2.1), коли інформація може передаватися в обох напрямах, але в різний час. Для повнодуплексної (дуплексною) передачі використовують чотири лінії зв'язку: по двох інформація передається в одному напрямі, по двох іншим — в зворотному (рис. 2.2).

Недоліком чотирипровідної (рис. 2.2) схеми є необхідність жорсткої вказівки ведучого і залежного пристроїв на стадії проектування системи, тоді як в двопровідній схемі будь-який пристрій може бути як в ролі ведучого, так і залежного. Перевагою чотирипровідної схеми є можливість одночасної передачі і прийому даних, що буває необхідно при реалізації деяких складних протоколів обміну.

Рис. 2.2. Чотирипровідне з'єднання пристроїв з інтерфейсом RS-485

Якщо приймач передавального вузла включений під час передачі, то передавальний вузол приймає свої ж сигнали. Цей режим називається «Прийомом луни» і зазвичай встановлюється мікроперемикачем на платі інтерфейсу. Прийом луни іноді використовується в складних протоколах передачі, але частіше цей режим вимкнений.

Якщо порти RS-485, що підключені до лінії передачі, розташовані на великій відстані один від одного, то потенціали їх «земель» можуть сильно розрізнятися. В цьому випадку для виключення пробою вихідних каскадів мікросхем трансіверів (приймачів) інтерфейсу слід використовувати гальванічну ізоляцію між портом RS-485 і «землею». При невеликій різниці потенціалів «землі» для вирівнювання потенціалів, в принципі, можна використовувати провідник, проте такий спосіб на практиці не застосовується, оскільки практично всі комерційні інтерфейси RS-485 мають гальванічну ізоляцію.

Захист інтерфейсу від блискавки виконується за допомогою газорозрядних і напівпровідникових пристроїв захисту.

Останнім часом з'явилися багато мікросхем трансіверів інтерфейсу RS-485, які мають ширші можливості, ніж встановлені стандартом. Проте для забезпечення сумісності пристроїв між собою необхідно знати параметри, описані в стандарті (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Параметри інтерфейсу RS-485, встановлені стандартом

Параметр	Мінімум	Максимум	Умова
Вихідна напруга передавача, В: без навантаження з навантаженням	1,5...-1,5 1,5...-1,5	6...-6 5...-5	Rнав ^= 0 Rнав = 54 Ом
Струм короткого замикання передавача, мА	-	±250	Коротке замикання виходу на джерело живлення +12В або на -7В
Тривалість переднього фронту імпульсів передавача % від ширини імпульсу		30	Rнав = 54 Ом; Снав = 5 пФ
Синфазна напруга на виході передавача, В	-1	3	Rнав = 54 Ом
Чутливість приймача, мВ	^—	±200	При синфазній напрузі від -7 до +12 В
Синфазна напруга на вході приймача, В	-7	+12
Вхідний опір приймача, кОм	12	~
Максимальна швидкість передачі, кбіт/с, для кабелю завдовжки: 12 м 1200 м	10 100	-
Примітка. Передавач повинен витримувати режим короткого замикання як між своїми виходами, так і замикання їх на +12 В або —7 В.