Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа №8
Изучение интерфейса RS-485
Цель: ознакомиться с принципами подключения, осуществлением информационного обмена между устройствами посредством интерфейса RS-485.
RS-485 — это название популярного интерфейса, используемого в промышленных АСУТП для соединения контроллеров и другого оборудования. Cейчас этот стандарт назывется TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (Электрические характеристики передатчиков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах). Интерфейс обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи (общая шина) в полудуплексном режиме.
В настоящее время множество цифровых промышленных сетей, например Profibus DP, Modbus, Hart, CanOpen и др., в качестве физического уровня используют рекомендованный стандарт интерфейса RS485.
В сегменте сети может быть до 32 устройств, поскольку передатчик RS-485 может управлять 32 приемниками (32 параллельные 12-килоомных нагрузки). Однако для некоторых приемников RS-485 входное сопротивление является более высоким - 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или 96 кОм (1/8 единичной нагрузки) - и, соответственно, к одной шине могут быть подключены 128 или 256 таких приемников. Максимальное количество узлов в сети, использующей повторители между сегментами – 256.
На рисунке 1 изображена локальная сеть на основе интерфейса RS-485, объединяющая несколько приемо-передатчиков.
Рис.1 - Сеть на основе интерфейса RS-485
При подключении следует правильно присоединить сигнальные цепи, обычно называемые А и В. Переполюсовка не страшна, но устройство работать не будет.
Сигналы RS-485 являются дифференциальными. Интерфейс использует линии - А и B (рис.2). Приемники реагируют на разницу между сигналами А и В. Vo - дифференциальное напряжение. Приемники воспринимают 200 мВ разницу между напряжениями Voa и Vob. Разница менее 200 мВ не распознается. Большинство современных микросхем драйверов обладают возможностью переводить линии А и В в «третье состояние» (т.е. отключенное состояние).
Рис.2 - Параметры Voa, Vob и Vo по стандарту RS-485
В качестве линии передачи данных для интерфейса RS485 могут выступать коаксиальный кабель, оптоволокно, плоские и симметричные кабели, а также дорожки печатных плат. Наибольшее применение в RS485 системах находят симметричные кабели на основе одной и более пар скрученных изолированных проводников, называемых "витыми парами" самых разных видов: контрольные, LAN, телефонные, кабели управления с ПВХ изоляцией и др. Однако полным комплексом тех свойств, которые должны обеспечивать эффективность любой промышленной RS485 системы, обладают лишь специально разработанные для нее кабели.
Используемые коннекторы: клеммные, 9-пиновые типа DЕ 9 и др.
Ограничения по длине и скорости.
Максимальная длина кабеля 1200 м. Максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла.
Максимальная длина линии передачи в сетях с интерфейсом RS485, которая обеспечит безошибочную передачу сигналов данных от формирователя импульсов до их приемника в линии, зависит от скорости передачи.
Ограничение линии передачи данных по длине в зависимости от скорости передачи в случае распространения по линии сигналов вида ступенчатых функций или импульсов обусловлено в основном двумя факторами: затуханием сигнала и его задержкой при распространении. Как известно, любой импульсный сигнал представляет собой суперпозицию его гармонических составляющих с частотами, кратными частоте основной гармоники. При этом наличие гармоник высшего порядка определяет фронт (скорость нарастания/спада) ступенчатого сигнала, низшего порядка – его амплитуду. Фазовые скорости распространения и коэффициент затухания каждой гармоники вдоль линии передачи отличаются друг от друга; гармоники высшего порядка будут распространяться значительно быстрее низших гармоник, но при этом и затухать по длине линии они будут также сильнее. Поэтому в конце линии сигнал будет "уширяться" в связи с увеличением времени нарастания/спада импульса, так как с увеличением длины линии это время будет все больше определяться "медленными", низкочастотными составляющими сигнала, что зависит от длины и электрических параметров линии.
Рис.2
Существуют общие критерии определения зависимости максимальной длины линии от установленной скорости передачи для RS485 (рис. 3).
Рис. 3 – Типовая зависимость длины линии от скорости передачи
На графике имеют место три ограничительные области. Ограничение по максимально возможной длине (область I) обусловлено падением напряжения в проводниках кабеля на низких частотах, где затухание в кабеле зависит от резистивного сопротивления шлейфа пары. Уровень сигнала от передающей до приемной аппаратуры не должен снижаться более чем в два раза, чтобы не оказаться ниже порога принятия приемника. Это имеет место, когда сопротивление шлейфа пары постоянному току становится равным оконечной согласующей нагрузке в линии, то есть линия работает как делитель напряжения.
Таким образом, чем больше диаметр проводника, тем меньше сопротивление шлейфа пары и следовательно больше длина линии. С другой стороны, чем меньше значение выбранной согласующей нагрузки, тем меньше должна быть длина шлейфа.
Ограничение по максимально возможной скорости передачи (область III на графике рис. 3) связано с возможностями самих передатчиков RS485 по скоростям переключения, которые по стандарту должны обеспечивать скорость передачи не менее 10 Мбит/с. Максимальная длина линии, которая возможна при данной скорости, ограничена тем условием, что до этой длины линия рассматривается как сосредоточенная нагрузка, не оказывающая влияния на передаваемый сигнал. Больший этой длины кабель должен рассматриваться как линия передачи с распределенными параметрами, вносящая искажение (задержку) в передачу сигнала вследствие высокочастотных эффектов и первичных параметров линии (сопротивление проводников переменному току, емкость пары и т.д.).
В области II на графике рис. 3 следует учитывать высокочастотные эффекты, от которых зависят гармонические составляющие сигнала и которые приводят к расширению фронтов импульса по длине линии, что делает затруднительной задачу приемника корректно восстановить исходные данные. Это обусловлено тем, что сигнал будет пересекать порог принятия приемника, выше которого приемник устанавливает на своем выходе значение логической единицы, а ниже – логического нуля, с некоторым временным сдвигом относительно моментов формирования исходных фронтов импульса. Поэтому период времени, в течение которого на выходе приемника будет держаться, например логический нуль, может быть короче реальной длительности "нулевого" импульса на выходе передатчика. Это скажется на окончательном восстановлении данных, поскольку тактовый импульс декодера, с помощью которого оценивается состояние на выходе приемника, может просто "пропустить" период этого импульса, что наглядно иллюстрирует рис. 4.
В результате проведения подробного анализа экспериментальных характеристик (www.national.com; руководство TSB89 – Application Guidelines for TIA/EIA485A) получена эмпирическая зависимость максимальной длины линии от скорости передачи:
(1)
где Lмакс – максимальная дальность передачи сигналов данных при принятом качестве сигнала на выходе линии, м,
Lмаксα– максимальная дальность передачи, обусловленная допустимым снижением уровня сигнала;
LмаксLC – максимальная дальность передачи, обусловленная искажением сигнала за счет различия скоростей распространения гармонических составляющих импульса (или задержки на распространение), м;
Рис.4
(2)
где n – эмпирически подобранный коэффициент, зависящий от принятого качества сигнала, n = 1 при искажении 0% (нет сдвига фронтов), n = 2 при относительном сдвиге фронтов 5% и n = 4 при относительном сдвиге фронтов 20%. На практике надёжность передачи данных резко падает при уровне сдвига фронтов в 10% или более.
tui – время единичного интервала, обратное скорости передачи (СП) битов данных (tui =1/СП), с;
td – погонная задержка на распространение импульса вдоль линии, с/м.
Из теории передачи сигналов по симметричным линиям известно, что на частотах 1…3 МГц и выше можно принять, что скорость распространения зависит только от реактивных параметров линии – электрической емкости и индуктивности:
(3)
где ν – фазовая скорость распространения высокочастотного (ВЧ) сигнала по линии, м/с;
L и С – соответственно погонные индуктивность (Гн/м) и емкость (Ф/м) линии передачи.
Задержка на распространение есть величина обратная скорости распространения:
(4)
где l – длина линии передачи, м.
На более низких частотах следует учесть активное сопротивление проводников, что снижает фазовую скорость, то есть увеличивает задержку на распространение соответствующей частоты и обусловливает ее более медленное распространение вдоль линии.
Максимальная дальность передачи, обусловленная допустимым снижением уровня сигнала, определяется по формуле:
(5)
где αдоп – допустимое затухание сигнала в линии между передающей и приемной аппаратурой, αдоп=6 дБ в случае 20% сдвига; αдоп=3 дБ в случае 5% сдвига и αдоп=1,5 дБ в случае отсутствия сдвига фронтов.
α – коэффициент затухания в линии передачи, дБ/м.
Коэффициент затухания α с ростом частоты увеличивается пропорционально корню из частоты:
где α0 - указанное в спецификации значение затухания для частоты f0.
При использовании потенциального кодирования, (кодирования без возвращения к нулю, NRZ), основная гармоника сигнала имеет частоту, равную N/2 Гц, где N — битовая скорость передачи дискретных данных [бит/с].
Уровни сигналов. Смещение
Интерфейс RS-485 использует балансную (дифференциальную) схему передачи сигнала. Это означает, что уровни напряжений на сигнальных цепях А и В меняются в противофазе.
Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе является идеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, если один провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. См. Рис. 5.
Рис. 5. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.
Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (32 стандартных входа и 2 терминальных резистора) и не более 6 В на холостом ходу. Уровни напряжений измеряют дифференциально, один сигнальный провод относительно другого.
В отсутствие сигнала на сигнальных цепях имеется небольшое смещение. Это смещение предназначено для защиты приемников от ложных срабатываний. Рекомендуется создавать смещение немногим более 200 мВ (зона недостоверности входного сигнала согласно стандарту). Один из вариантов реализации цепи смещения показан ниже.
Рис. 6
Номиналы резисторов рассчитывают, исходя из требуемого смещения и напряжения источника питания. Учитывая, что 2 терминальных резистора включены параллельно и не принимая во внимание нагрузку от приемников, получаем ток смещения Iсм = 2Uсм / Rт. Общее сопротивление цепи смещения R = U / Iсм. Получаем Rсм = (R - Rт / 2 ) / 2.
Практическая часть
Содержание отчета
Таблица вариантов
R – сопротивление постоянному току, Ом/км;
α0 – затухание на частоте 1 МГц, дБ/км;
С – Погонная емкость , пФ/м
ZВ – Волновое сопротивление в диапазоне частот 1-100 МГц, Ом
|
N |
R |
α0 |
С |
ZВ |
|
1 |
96 |
20 |
56 |
100 |
|
2 |
59 |
16,5 |
42 |
120 |
|
3 |
100 |
21 |
42 |
120 |
|
4 |
90 |
20 |
45 |
105 |
|
5 |
82 |
18 |
50 |
95 |
|
6 |
90 |
18,5 |
52 |
98 |
|
7 |
76 |
17 |
49 |
110 |
|
8 |
80 |
20,5 |
46 |
115 |
|
9 |
92 |
20 |
55 |
100 |
|
10 |
75 |
16,5 |
42 |
120 |
|
11 |
84 |
21 |
45 |
120 |
|
12 |
95 |
20 |
50 |
105 |
|
13 |
88 |
18 |
52 |
95 |
|
14 |
98 |
20 |
49 |
95 |
|
15 |
100 |
18 |
46 |
98 |
|
16 |
96 |
18,5 |
46 |
110 |
|
17 |
89 |
17 |
55 |
115 |
|
18 |
94 |
20,5 |
42 |
100 |
|
19 |
72 |
20 |
45 |
120 |
|
20 |
100 |
16,5 |
53 |
110 |