ИНТЕРФЕЙСЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. СТАНДАРТЫ EIA RS-422A/RS-485

ВЕДЕНИЕ
Большинство разработчиков систем промышленной автоматизации и сетей передачи данных в той или иной степени имеют представление о стандартах RS_422/RS_485. В самом деле, практически все компьютеры в промышленном исполнении оснащены средствами организации информационного обмена с использованием данных интерфейсов. Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS_232_C также могут иметь в своем составе подсистему последовательного ввода_вывода информации на базе интерфейса RS_485. Программируемые логические контроллеры многих производителей в качестве средств организации территориально_распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS_422/RS_485.

Несмотря на столь широкое распространение на отечественном рынке оборудования для промышленной автоматизации, имеющего в своем составе средства обмена данными, реализованные на базе стандартов EIA RS_422/RS_485, в отечественной нормативно-технической литературе отсутствуют их полноценные эквиваленты. Отчасти это можно объяснить тем, что данные стандарты фактически устанавливают требования только к электрическим характеристикам выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников аппаратуры передачи данных, тогда как в имеющихся отечественных коммуникационных стандартах просматривается тенденция к охвату как можно большего количества уровней базовой модели взаимодействия открытых систем ISO. В результате информация, которой пользуются разработчики, сводится либо к отрывочным сведениям, содержащимся в документации на применяемые покупные технические средства, либо к справочным данным на приемопередатчики зарубежного производства. Следует отметить, что высокий технический уровень отечественных электронщиков и системных интеграторов в большинстве случаев обеспечивает успех разработки даже при наличии минимума нормативной информации. Однако даже после завершения приемо-сдаточных испытаний очередной системы у многих участников проекта остаются вопросы, к основным из которых можно отнести следующие:

• чем определяются ограничения, относящиеся к количеству элементов оконечного оборудования сети, скорости передачи данных и максимальной протяженности линии связи;
• каковы критерии выбора кабеля;
• каким образом следует реализовывать электрическое питание и заземление аппаратуры, входящей в сеть передачи данных;
• как защитить аппаратуру сети от помех.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы осветить основные положения стандартов EIA RS_422A и RS_485, а также привести ряд рекомендаций по практической реализации систем передачи данных на базе указанных стандартов. При этом основное внимание будет уделено стандарту RS_485 как нашедшему наиболее широкое распространение в территориально-распределенных системах обработки данных промышленного назначения. Читатели, которых не интересуют технические подробности стандарта как такового, могут сразу перейти к рекомендациям по применению.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В ходе изложения основных требований стандартов EIA RS_422/RS_485 использованы следующие термины:

Линия связи (Interchange Circuit) — физическая среда, предназначенная для переноса информации между единицами оборудования, принимающими участие в информационном обмене, включая данные, сигналы управления и синхронизации.

Канал передачи данных (Data Transmission Channel) — совокупность физической среды и технических средств, включая аппаратуру преобразования сигналов, вовлекаемых в процесс передачи информации между оборудованием системы связи.

Формирователь (Driver)

а) электронная цепь или контакт реле (источник) на передающей стороне линии связи, посредством которых осуществляется передача двоичных цифровых сигналов в оконечную нагрузку по соединительному кабелю;

б)передатчик двоичных цифровых сигналов.

Оконечная нагрузка (Terminator)

а)электронная цепь (потребитель) на приемной стороне цепи обмена, посредством которой осуществляется прием двоичных цифровых сигналов от формирователя по соединительному кабелю;

б)приемник двоичных цифровых сигналов.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Приведенные далее сведения не являются частью стандарта, а носят характер рекомендаций по практическому применению приемопередатчиков, соответствующих требованиям стандарта EIA RS_485. При проектировании системы на базе технических средств, соответствующих данному стандарту, следует учитывать ряд весьма важных факторов, среди которых в первую очередь должны рассматриваться следующие: количество передатчиков и приемников, скорость передачи данных, способ объединения технических средств и максимальная протяженность линии связи. Стандарт не устанавливает требования к способам объединения элементов системы и другим средствам связи.

Основная конфигурация системы
Как правило, система содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующие резисторы. Каждый формирователь должен обеспечивать работу на 32 единицы нагрузки помимо согласующих резисторов, каждая из которых представляется совокупностью приемника и формирователя, находящегося в пассивном состоянии. Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения единиц нагрузки. Сопротивление каждого согласующего резистора должно совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля (от 100 до 120 Ом).

Формирователи и приемники, соответствующие требованиям стандарта EIA RS_485, сохраняют работоспособность при воздействии на них синфазного напряжения в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В (мгновенное значение). Синфазное напряжение определяется совокупностью нескомпенсированных разностей потенциалов земли приемников и формирователей, максимальным значением напряжения помех, измеренного между землей приемника и жилами кабеля, соединенными с землей на передающей стороне линии связи, а также максимальным значением напряжения смещения выходов формирователей (Uos). Если значение разности потенциалов между землями выходит за пределы допустимого диапазона, то при реализации сети на основе интерфейса RS_485 следует применять приемопередатчики с гальванической изоляцией. Один из возможных способов объединения формирователей и приемников с гальванической изоляцией показан на рис. 1.

Рис. 1. Способ объединения приемопередатчиков EIA RS2485 с гальванической изоляцией

Рис. 2. Цепи смещения линии связи
Разработчик системы на базе данных приемников и формирователей должен учитывать возможность возникновения ситуации, когда все формирователи окажутся переведенными в пассивное состояние. В этом случае ни один приемник не будет распознавать какого_либо устойчивого логического состояния. Если переводу всех формирователей в пассивное состояние предшествовал сеанс информационного обмена, то логическое состояние на выходе всех приемников будет соответствовать последнему принятому биту информации. Для разрешения указанной проблемы разработчиком должны быть предприняты специальные меры. В частности, приемопередатчики многих производителей оснащены цепями смещения выхода формирователя, показанными на рис. 2. При этом после перевода всех формирователей, входящих в состав сети, в пассивное (высокоимпедансное) состояние в линии связи будет поддерживаться уровень, соответствующий состоянию OFF (ВЫКЛЮЧЕН). Для снижения потребления тока, протекающего по цепям смещения и согласующему резистору, последовательно с согласующим резистором может быть включен конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

Средства объединения устройств системы
Средства объединения устройств включают в себя кабельную продукцию, соединители и согласующие резисторы и будут называться далее средствами связи. Поскольку реальная конфигурация средств связи зависит от требований, обуславливаемых конкретным приложением и не установленных стандартом EIA RS_485, далее приводится ряд указаний по выбору средств связи. Данные указания выработаны, исходя из предположения, что для подключения устройств к линии связи не применяются элементы ответвления.

Основными параметрами, определяющими критерии выбора кабеля, являются

1) скорость обмена, значение которой определяет длительность передаваемого бита информации;

2)минимальный уровень сигнала на входе приемника, необходимый для распознавания передаваемых двоичных состояний;

3)максимально допустимый уровень искажений сигнала;

4)максимальная требуемая протяженность линии связи.

Длительность информационного бита (Tb) определяется минимально допустимым интервалом времени между переходами передаваемых двоичных состояний. Если напряжение сигнала в линии не успевает достичь уровня, соответствующего передаваемому двоичному состоянию до появления следующего перехода, указанный переход появится на входе приемника с некоторым временным сдвигом, который приводит к возникновению межсимвольных искажений. При выборе кабеля должно быть учтено отношение длительности переднего фронта к длительности информационного бита (tr/Tb) в точке подключения наиболее удаленного приемника.

Уровень сигнала, присутствующий на входе приемника, должен быть не менее его порога чувствительности. При этом минимальное значение входного напряжения должно выбираться с запасом в зависимости от интенсивности помех, воздействующих на линию связи и на приемник, допустимой вероятности появления ошибок, а также от допустимого уровня искажений сигнала на входе приемника. Для определения параметров кабеля необходимо задаться минимальным уровнем сигнала на входе самого удаленного приемника с учетом перечисленных факторов.

Искажения сигнала определяются его временным сдвигом относительно положения при передаче в идеальных условиях. Количественно искажения выражаются в процентах от полной длительности информационного бита. При выборе кабеля следует учитывать допустимый уровень искажений на входе приемника, расположенного в самой удаленной точке линии связи.

Дополнительные требования к реализации заземления
Для правильного функционирования цепей формирователя и приемника при обмене данными единицы оборудования системы должны иметь путь возврата сигнала между цепями заземления на приемной и передающей сторонах. Цепь заземления может быть выполнена путем непосредственного присоединения общих каждого устройства к точкам, имеющим нулевой потенциал. Указанный способ допустим только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Кроме того, цепь заземления может быть реализована при помощи дренажного проводника, который имеется внутри кабеля передачи данных, как показано на рис. 3. При реализации цепи сигнального заземления вторым способом соединение третьего (дренажного) проводника с сигнальным общим проводом каждого устройства должно быть выполнено через резистор небольшого сопротивления, например 100 Ом, который предназначен для ограничения блуждающих токов, когда в целях безопасности применяются другие цепи заземления.

Рис. 3. Реализация цепей сигнального заземления при помощи дренажного проводника
В ряде случаев для повышения устойчивости к помехам электрического (не магнитного) характера применяется экранированный кабель передачи данных. При его использовании экран должен быть соединен с корпусом оборудования только в одной из двух наиболее удаленных точек размещения технических средств системы. Реализация второго варианта допустима только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Требования к средствам присоединения экрана кабеля стандартом EIA RS_485 не устанавливаются.

Способ реализации цепей заземления при использовании приемопередатчиков с гальванической изоляцией показан на рис. 1.