RS-485 de cabluri de rețea corespunzătoare

Scopul acestui articol - pentru a oferi linii directoare de bază pentru alegerea conexiunilor de circuit pentru pe rețeaua RS-485 pe bază. Specificații RS-485 (denumirea oficială a TIA / EIA-485-A) nu oferă explicații specifice cu privire la modul în care rețelele de cablare RS-485 trebuie să fie efectuate. Cu toate acestea, ea oferă unele îndrumări. Aceste recomandări și de inginerie practică în domeniul prelucrării audio ca bază pentru acest articol. Cu toate acestea, sfatul în orice caz, nu acoperă întreaga varietate de opțiuni posibile pentru construirea de rețele prezentate aici.

RS-485 transmite informații digitale între mai multe locații. Rata de date poate fi de 10 Mbit / s, și, uneori, să depășească această valoare. RS-485 este proiectat pentru transmiterea acestor informații pe distanțe lungi, și 1000 de metri sunt bine în capacitățile sale. Rata de distanță și de date la care RS-485 poate fi utilizat cu succes depind de mai multe puncte de pe sistemul de cablare.

RS-485 este conceput ca un sistem echilibrat. Pur și simplu pune, acest lucru înseamnă că, în plus față de pământ, există două fire care sunt utilizate pentru transmiterea semnalului.

Fig. 1. Un sistem echilibrat folosește, altele decât cele la sol, două fire pentru transferul de date.

Sistemul este numit echilibrat, deoarece semnalul pe un singur fir este opusă perfect exactă a semnalului de pe al doilea fir. Cu alte cuvinte, în cazul în care un singur fir transferă un nivel ridicat, un alt fir va transfera un nivel scăzut și vice-versa. A se vedea. Fig. 2.

Fig. 2. Semnalele de la cele două sisteme sarme echilibrate sunt în mod ideal opuse.

În ciuda faptului că RS-485 poate transmite cu succes folosind diferite tipuri de medii de transmisie, acesta trebuie utilizat cu cabluri, denumit în mod obișnuit ca „perechii de fire răsucite“.

Ce este o pereche de fire răsucite, și de ce este folosit?

După cum sugerează și numele, torsadat - este doar o pereche de fire, care sunt de lungime egală și răsucite împreună. Folosind emițător, care îndeplinește cerințele de specificație RS-485, cablu pereche răsucită reduce doua sursă majoră de probleme pentru dezvoltatorii accelera rețelele distribuite geografic, și anume interferența electromagnetică radiată și interferențele electromagnetice induse (ghidarea pe traseu).

interferența electromagnetică radiată

Așa cum se arată în figura 3, ori de câte ori impulsuri utilizate cu margini abrupte, în componentele de frecvență a semnalului sunt prezente pentru transmiterea informațiilor. Aceste margini ascuțite sunt necesare la viteze mai mari decât poate oferi RS-485.

Fig. 3. Forma de undă a trenului de impulsuri dreptunghiulare cu o frecvență de 125 kHz și FFT sale

Componentele de înaltă frecvență rezultante ale acestor margini rapide, împreună cu fire lungi poate duce la emisia de interferență electromagnetică (EMI). Un sistem echilibrat, care utilizează liniile de comunicație pe baza perechii de fire răsucite, reduce acest efect, ceea ce face sistemul de un radiator ineficient. Acesta funcționează pe un principiu foarte simplu. Deoarece semnalele de pe liniile sunt egale, dar invers, emisă de fiecare semnal de sârmă, de asemenea, va tinde să fie egale, dar inversat. Acest lucru creează efectul anulat reciproc, care, la rândul său, înseamnă că nu există nici o radiație electromagnetică. Cu toate acestea, acest lucru se bazează pe presupunerea că firele au exact aceeași lungime și exact aceeași locație. Deoarece este imposibil de a avea două fire, în aceeași locație, firele ar trebui să fie aproape unul de altul posibil. Răsucindu fire ajută la neutralizarea radiațiilor electromagnetice reziduale datorită distanței finită dintre cele două fire.

interferențe electromagnetice Inductibile

interferența electromagnetică indusă - este, în principiu aceeași problemă ca și cea emisă, dar în sens invers. Cablajul utilizat în sistemul bazat pe RS-485, de asemenea, acționează ca o antenă care primește semnale nedorite. Aceste semnale nedorite pot denatura semnalul util, care, la rândul său, poate duce la erori în datele. Din același motiv pentru care torsadat ajută la prevenirea emisiilor de interferență electromagnetică, aceasta va ajuta, de asemenea, reduce efectele de interferență electromagnetică. Deoarece cele două fire sunt aranjate împreună și răsucite, zgomotul indus pe un fir va tinde să fie aceeași cu cea de pe al doilea fir. Acest tip de zgomot este numit „zgomot de mod comun“. Deoarece RS-485 receptoare sunt proiectate pentru a detecta semnale care sunt opuse una alteia, ele pot suprima cu ușurință zgomotul, care este comună pentru ambele fire.

Impedanța caracteristică a perechii de fire răsucite

În funcție de geometria cablului și materialele utilizate în mod izolat, sucit pereche va avea un „impedanță caracteristică (impedanță caracteristică)“, care este de obicei determinată de către producător. caietul de sarcini RS-485 recomandă, dar nu dictează, că această impedanță caracteristică este de 120 ohmi. Recomandarea de impedanta necesare pentru a calcula cel mai rau caz de sarcină și de tensiune în mod comun intervalele definite în caietul de sarcini RS-485. Aparent, caietul de sarcini nu dicteaza această impedanță în interesul flexibilității. Dacă, din orice motiv, nu poate fi utilizat în 120 de cablu ohm, este recomandat ca cel mai rău caz de sarcină (numărul de emițătoare și receptoare) și intervalele de tensiune cel mai nefavorabil fază au fost recalculate pentru a se asigura că sistemul proiectat va funcționa. publicare TSB89 conține o secțiune dedicată în mod special astfel de calcule.

Numărul de perechi torsadate pentru fiecare emițător

Acum, că înțelegem ce este nevoie de un fel de cablu, se pune întrebarea, cât de multe perechi răsucite pot opera transmițătorul. Raspunsul este scurt - doar unul. Deși transmițătorul și poate, în anumite circumstanțe funcționează într-o singură pereche de fire răsucite este furnizat caietul de sarcini.

Din cauza distanțelor mari de frecvență și lungi, o atenție deosebită trebuie acordată efectelor care decurg din linii. Cu toate acestea, o discuție detaliată a acestor efecte și metodele corecte sunt mult dincolo de domeniul de aplicare al acestui articol. Cu aceasta în minte, terminalele vor fi revizuite pe scurt în forma sa cea mai simplă, în măsura în care se referă la RS-485.

Rezistența terminală - este pur și simplu un rezistor, care este montat pe extremitatea sau capetele cablului (Figura 4.). În mod ideal, rezistența egală cu rezistența finală impedanța caracteristică a cablului.

Figura 4. rezistențe terminale ar trebui să aibă o impedanță egală cu impedanța caracteristică a perechii de fire răsucite și trebuie să fie amplasate la capetele distale ale cablului.

În cazul în care rezistența de terminare nu este egală cu impedanța caracteristică a cablului, nu va fi reflecție, și anume, semnal se întoarce înapoi de-a lungul cablului. Acest lucru este descris de ecuația (Rt-Zo) / (Zo + Rt), unde Zo - rezistența la cablu, și Rt - nominal rezistență terminală. Cu toate că, din cauza toleranțelor în cablu și rezistor, o reflectare a diferențelor inevitabile, semnificative poate provoca reflecții suficient de mari pentru a provoca erori în datele. A se vedea. Figura 5.

Fig. 5. Utilizând circuitul prezentat în figura de sus, semnalul de stânga a fost primit de la MAX3485, încărcată pe 120 ohm torsadat și 54 ohmi rezistor de închidere. semnal de pe dreapta a fost primit atunci când în mod corespunzător, cu 120 de ohmi rezistor.

În acest sens, este important să se asigure că cât mai aproape posibil valorile de rezistență ale rezistență finală și rezistența de undă. Poziția rezistență finală astfel încât același lucru este foarte important. rezistoare de terminație trebuie să fie întotdeauna plasate la capetele depărtate ale cablului.

Ca regulă generală, rezistențe terminale ar trebui să fie plasate la ambele capete ale cablului departe. Dacă armonizarea corectă ambele capete este absolut esențială pentru majoritatea desenelor și modelelor de sistem, se poate argumenta că într-un caz special de un singur rezistor de terminare. Acest eveniment are loc într-un sistem în care există un singur transmițător, iar transmițătorul unic situat la capătul îndepărtat al cablului. În acest caz, nu este nevoie de a plasa un rezistor de terminare la capătul cablului la transmițător, deoarece semnalul este întotdeauna propagat de la transmițător.

Numărul maxim de emițătoare și receptoare în rețea

Cea mai simplă rețea bazată pe RS-485 constă dintr-un emițător și un receptor. In timp ce acest lucru este util într-un număr de aplicații, dar RS-485 permite o mai mare flexibilitate, permițând mai mult de un emițător și receptor pe aceeași pereche de fire răsucite. Maximă permisă depinde de modul în care fiecare dispozitiv cizme sistem.

Într-o lume ideală, toate receptoarele și emițătoarele inactive vor avea impedanță infinită și nu se va încărca sistemul. În lumea reală, cu toate acestea, nu se întâmplă. Fiecare receptor este conectat la rețea și la toate transmițătoarele inactive crește sarcina. Pentru a ajuta proiectantul unei figuri RS-485 pe bază de cât de multe dispozitive pot fi adăugate la rețea, o unitate ipotetică a fost creată, numită „unitatea de încărcare (unitate de sarcină)“. Toate dispozitivele care sunt conectate la rețeaua RS-485, trebuie să aibă un raport de multiplicare sau fracțiuni ale unității de încărcare. Exemplu Două - MAX3485, care este specificat ca 1 unitate de încărcare și MAX487, care este specificat ca 1/4 unitate de încărcare. Numărul maxim de sarcini unitare pe perechi răsucite (presupunând că avem de-a face cu un cablu terminat în mod corespunzător, cu impedanța caracteristică de 120 ohmi sau mai mult) - 32. Pentru exemplele date mai sus, acest lucru înseamnă că o singură rețea poate fi inclus până la 32 dispozitive sau MAX3485 128 MAX487.

Exemple de rețea valid

Înarmat cu informațiile de mai sus, suntem gata de a dezvolta o serie de rețea RS-485 pe bază. Iată câteva exemple simple.

Un emițător, un receptor

Cea mai simplă rețea - este un emițător și un receptor (Figura 6). În acest exemplu, rezistența finală este prezentată pe cablu la partea emițător. Deși nu este necesar aici, probabil, un obicei bun pentru a proiecta în ambele rezistențe terminale. Acest lucru permite transmițătorului să se mute în alte locuri decât capătul îndepărtat al cablului de locuri, și permite, dacă este necesar, adăugați rețea de emițătoare suplimentare.

Fig. 6. RS-485 de rețea cu un emițător și un receptor

Un emițător, mai multe receptoare

Figura 7 prezintă o rețea cu un singur emițător și mai multe receptoare. Este important ca distanța de la perechea de fire răsucite la receptoare cât mai scurt posibil.

Fig. 7. RS-485 de rețea cu un emițător și mai multe receptoare

Figura 8 prezintă o rețea cu două transceiver.

Fig. 8. RS-485 de rețea cu două transceivere

Figura 8 prezintă o rețea cu mai multe transceivere. Ca și în exemplul cu un singur emițător și mai multe receptoare, este important ca distanța de la perechea de fire răsucite la receptoare cât mai scurt posibil.

Fig. 9. RS-485 de rețea cu mai multe transceivere

Exemple de rețele neregulate

Mai jos sunt exemple de sisteme configurate necorespunzător. Fiecare exemplu compară forma de undă obținută prin rețeaua dezvoltată în mod corespunzător, cu forma de undă obținută printr-un sistem proiectat în mod corespunzător. undă diferențială măsurată la punctele A și B (A-B).

În acest exemplu, la capetele perechii de fire răsucite sunt neterminata. Pe măsură ce semnalul se propagă de la sursă, se confruntă circuitul deschis la capătul cablului. Acest lucru duce la o nepotrivire de impedanță, cauzând reflecție. În cazul unui circuit deschis (așa cum se arată mai jos), toată energia este reflectată înapoi la sursă, cauzând o distorsiune puternică a semnalului.

Fig. 10. RS-485 inconsistente de rețea (de sus) și a formei de undă sale rezultante (stânga), în comparație cu semnalul obținut dintr-o rețea corect terminată (dreapta)

Poziționarea necorespunzătoare a terminatorului

Figura 11 prezintă o rezistență (terminator) este prezent, dar locația este diferită de capătul distal al cablului. Pe măsură ce semnalul se propagă de la sursă, se confruntă cu două nepotriviri de impedanță. Primul este găsit în rezistor de terminare. Chiar dacă rezistorul potrivit cu impedanța intrinsecă a cablului, există un cablu pentru rezistor. Acest cablu suplimentar cauzează o nepotrivire, și, prin urmare reflexia semnalului. A doua eroare este sfârșitul cablului neterminata, aceasta duce la reflecții suplimentare.

Fig. 11. RS-485 de rețea corect plasat rezistență terminală (panoul superior) și forma undei sale rezultantă (stânga), în comparație cu semnalul obținut dintr-o rețea corect terminată (dreapta)

În figura 12, există o serie de probleme cu organizarea interconectare. Prima problemă constă în faptul că RS-485 conducători auto sunt proiectate pentru a controla doar o singură pereche de fire răsucite, terminate în mod corespunzător. Aici, fiecare emițător controlează cele patru perechi răsucite paralele. Acest lucru înseamnă că nivelurile logice minime necesare nu poate fi garantată. În plus față de sarcină grea, există o asimetrie de impedanță în punctul în care sunt conectate mai multe cabluri. nepotriviri de impedanță medie din nou reflecții și, în consecință, semnalul de distorsiune.

Fig. 12. rețea RS-485, utilizează incorect de mai multe perechi răsucite

În figura 13, cablul este terminat în mod corespunzător și transmițătorul este de conducere doar o singură pereche de fire răsucite; Cu toate acestea fire, punctul de conectare (cuplare - cioturi) receptor prea mult timp. cuple lungi cauza nepotrivirii impedanță semnificativă și, prin urmare, un semnal de reflecție. Toate cuple trebuie să fie cât mai scurtă posibil.

Fig. 13. RS-485 de rețea cu ajutorul unui cuplaj de 3 metri (sus), iar semnalul rezultat (stânga), în comparație cu semnalul obținut cu o mladita scurt