Статьи

RS-485: все ще найнадійніший промисловий інтерфейс

  1. Порівняння інтерфейсів RS-485 і RS-422
  2. RS-485 - найпопулярніший промисловий інтерфейс
  3. Проблеми, пов'язані з використанням послідовного інтерфейсу в промисловому середовищі
  4. Захист систем передачі даних від несприятливих зовнішніх впливів
  5. Захист від перенапруг
  6. Стійкість приймачів до невизначеним станів лінії
  7. Можливість «гарячої» заміни
  8. Висновок
  9. література

В умовах промислового застосування бездротові лінії передачі даних ніколи не зможуть повністю замінити дротяні В умовах промислового застосування бездротові лінії передачі даних ніколи не зможуть повністю замінити дротяні. Серед останніх найпоширенішим і надійним досі залишається послідовний інтерфейс RS -485. А виробником найбільш захищених від зовнішніх впливів і різноманітних по конфігурації і ступеня інтеграції приймачів для нього, в свою чергу, залишається компанія Maxim Integrated.

Незважаючи на зростання популярності бездротових мереж, найбільш надійний і стійкий зв'язок, особливо в жорстких умовах експлуатації, забезпечують провідні. Правильно спроектовані провідні мережі дозволяють реалізувати ефективний зв'язок в промислових додатках і в системах автоматизованого управління виробничими процесами, забезпечуючи стійкість до перешкод, електростатичних розрядів і перенапряжениям. Відмінні риси інтерфейсу RS-485 зумовили його широке застосування в індустрії.

Порівняння інтерфейсів RS-485 і RS-422

Приймач RS-485 є найбільш поширеним інтерфейсом фізичного рівня для реалізації мереж з послідовною передачею даних, призначених для жорстких умов експлуатації в промислових цілях і в системах автоматизованого управління будівлями. Даний стандарт послідовного інтерфейсу забезпечує обмін даними з високою швидкістю на порівняно велику відстань по одній диференціальної лінії (кручений парі). Основна проблема застосування RS-485 в промисловості і в системах автоматизованого управління будівлями полягає в тому, що електричні перехідні процеси, що виникають при швидкої комутації індуктивних навантажень, електростатичні розряди, а також імпульсні перенапруги, впливаючи на мережі автоматизованих систем управління, здатні спотворити передані дані або привести до виходу їх з ладу.

В даний час існує декілька типів інтерфейсів передачі даних, кожен з яких розроблений для конкретних застосувань з урахуванням необхідного набору параметрів і структури протоколу. До числа інтерфейсів послідовної передачі даних відносяться CAN, RS-232, RS-485 / RS-422, I2C, I2S, LIN, SPI і SMBus, проте RS-485 і RS-422 як і раніше залишаються найбільш надійними, особливо в жорстких умовах експлуатації.

Інтерфейси RS-485 і RS-422 багато в чому схожі, однак мають деякі істотні відмінності, які необхідно враховувати при проектуванні систем передачі даних. Відповідно до стандарту TIA / EIA-422, інтерфейс RS-422 специфікований для промислових застосувань з одним провідним пристроєм шини даних, до якої може бути підключено до 10 ведених пристроїв (малюнок 1). Він забезпечує передачу на швидкості до 10 Мбіт / с, використовуючи виту пару, що дозволяє підвищити стійкість і досягти максимально можливої ​​дальності і швидкості передачі даних. Типові області застосування RS-422 - автоматизація виробничих процесів (виробництво хімікатів, харчове виробництво, паперові фабрики), комплексна автоматизація виробництва (автомобільна і металообробна промисловість), системи вентиляції та кондиціонування, системи безпеки, управління двигунами і контроль за переміщенням об'єктів.

Типові області застосування RS-422 - автоматизація виробничих процесів (виробництво хімікатів, харчове виробництво, паперові фабрики), комплексна автоматизація виробництва (автомобільна і металообробна промисловість), системи вентиляції та кондиціонування, системи безпеки, управління двигунами і контроль за переміщенням об'єктів

Мал. 1. Інтерфейс RS-422 з підключенням декількох приймальних пристроїв до загальної двухпроводной лінії зв'язку

RS-485 забезпечує більш високу гнучкість завдяки можливості використання кількох провідних пристроїв на загальній шині, а також збільшення максимального числа пристроїв на шині з 10 до 32. Відповідно до стандарту TIA / EIA-485, інтерфейс RS-485 в порівнянні з RS-422 має більш широкий діапазон синфазного напруги (-7 ... 12 В замість ± 7В) і дещо менший діапазон диференціального напруги (± 1,5 В замість ± 2 В), що забезпечує достатній рівень сигналу приймача при максимальному навантаженні лінії. Використовуючи розширені можливості многоточечной шини даних, можна створювати мережі пристроїв, підключених до одного послідовного порту RS-485. Завдяки високій завадостійкості і можливості багатоточкових підключень RS-485 є найкращим серед послідовних інтерфейсів для використання в промислових розподілених системах, що підключаються до програмованого логічного контролера (PLC), графічного контролера (HMI) або іншим контролерам для збору даних. Оскільки RS-485 є розширеним варіантом RS-422, всі пристрої RS-422 можуть підключатися до шини, керованої провідним пристроєм RS-485. Типові області застосування для RS-485 аналогічні перерахованим вище областям застосування RS-422, при цьому більш часте використання RS-485 пояснюється його розширеними можливостями.

RS-485 - найпопулярніший промисловий інтерфейс

Стандарт TIA / EIA-485 допускає використання RS-485 на відстані до 1200 м. На більш коротких дистанціях швидкості передачі даних - більше 40 Мбіт / с. Використання диференціального сигналу забезпечує інтерфейсу RS-485 більш високу дальність, однак швидкість передачі даних зменшується в міру збільшення довжини лінії. На швидкість передачі даних впливає також площа перерізу проводів лінії і число пристроїв, підключених до неї. При необхідності отримання одночасно великої дальності і високій швидкості передачі даних рекомендується використовувати приймачі RS-485 з вбудованою функцією високочастотної корекції, наприклад, MAX3291 . Інтерфейс RS-485 може використовуватися в напівдуплексному режимі із застосуванням однієї кручений пари проводів або в дуплексному режимі з одночасними передачею і прийомом даних, що забезпечується використанням двох кручених пар (чотири дроти). У многоточечной конфігурації в напівдуплексному режимі RS-485 здатний підтримувати до 32 передавачів і до 32 приймачів. Однак мікросхеми приймачів нового покоління мають більш високий вхідний імпеданс, що дозволяє знизити навантаження приймача на лінію від 1/4 до 1/8 стандартного значення. Наприклад, при використанні приймача MAX13448E число приймачів, що підключаються до шини RS-485, може бути збільшено до 256. Завдяки розширеному багатоточковому інтерфейсу RS-485 є можливість побудови мереж різних пристроїв, підключених до одного послідовного порту, як показано на малюнку 2.

Завдяки розширеному багатоточковому інтерфейсу RS-485 є можливість побудови мереж різних пристроїв, підключених до одного послідовного порту, як показано на малюнку 2

Мал. 2. Многоточечная напівдуплексна приемопередающая система, яка використовується в промислових додатках

Чутливість приймача становить ± 200 мВ. Отже, для розпізнавання одного біта даних рівні сигналу в точці підключення приймача повинні бути більше +200 мВ для нуля і менше -200 мВ для одиниці (рисунок 3). При цьому приймач буде придушувати перешкоди, рівень яких знаходиться в діапазоні ± 200 мВ. Диференціальна лінія забезпечує також ефективне придушення синфазних перешкод. Мінімальна вхідний опір приймача становить 12 кОм, вихідна напруга передавача знаходиться в діапазоні ± 1,5 ... ± 5 В.

Мал. 3. Мінімальні рівні сигналів в лінії RS-485

Проблеми, пов'язані з використанням послідовного інтерфейсу в промисловому середовищі

Розробники промислових систем стикаються зі складними завданнями щодо забезпечення їх надійної експлуатації в електромагнітній обстановці, здатної вивести з ладу обладнання або порушити роботу цифрових систем передачі даних. Одним із прикладів подібних систем є автоматичне керування технологічним обладнанням на автоматизованому промисловому підприємстві. Контролер, керуючий процесом, вимірює його параметри, а також параметри навколишнього середовища, і передає команди виконавчим пристроям або формує аварійні оповіщення. Промислові контролери являють собою, як правило, мікропроцесорні пристрої, архітектура яких оптимізована для вирішення завдань даного промислового підприємства. Лінії передачі даних топології «точка-точка» в таких системах схильні до сильних електромагнітних перешкод від впливу навколишнього середовища.

Перетворювачі постійної напруги, що використовуються в промисловому виробництві, працюють з високими вхідними напругами і забезпечують ізольовані від входу напруги для живлення навантаження. Для живлення пристроїв розподіленої системи, що не мають власного мережевого джерела живлення, використовуються напруги 24 або 48 В DC. Харчування кінцевої навантаження здійснюється напругою 12 або 5 В, отриманим шляхом перетворення вхідної напруги. Систем, які забезпечують зв'язок з віддаленими датчиками або виконавчими пристроями, потрібен захист від перехідних процесів, електромагнітних завад і різниці потенціалів землі.

Багато компаній, такі як Maxim Integrated, докладають великих зусиль, щоб інтегральні мікросхеми для промислових застосувань відрізнялися високою надійністю і стійкістю до несприятливої ​​електромагнітної обстановці. Приймач RS-485 виробництва компанії Maxim містять вбудовані ланцюга захисту від високовольтних електростатичних розрядів і імпульсних перенапруг і володіють можливістю «гарячої» заміни без втрати даних в лінії.

Захист систем передачі даних від несприятливих зовнішніх впливів

Посилений захист від ЕСР

Електростатичний розряд (ЕСР) виникає при зіткненні двох протилежно заряджених матеріалів, внаслідок чого відбувається перенесення статичних зарядів і формується іскровий розряд. ЕСР часто виникає при контакті людей з навколишніми предметами. Іскрові розряди, що виникають при недбалому поводженні з напівпровідниковими приладами, можуть істотно погіршити їх характеристики або привести до повного руйнування напівпровідникової структури. ЕСР може виникнути, наприклад, при заміні кабелю або простому дотику до порту вводу-виводу і привести до відключення порту внаслідок виходу з ладу однієї або декількох мікросхем інтерфейсу (малюнок 4).

ЕСР може виникнути, наприклад, при заміні кабелю або простому дотику до порту вводу-виводу і привести до відключення порту внаслідок виходу з ладу однієї або декількох мікросхем інтерфейсу (малюнок 4)

Мал. 4. Результат електростатичний розряд на кристал мікросхеми з недостатнім рівнем захисту

Результат електростатичний розряд на кристал мікросхеми з недостатнім рівнем захисту

Мал. 5. Спрощена схема вбудованої ланцюга захисту порту вводу-виводу від ЕСР

Подібні аварії можуть призводити до значних збитків, так як підвищують вартість гарантійного ремонту і сприймаються споживачами як наслідок низької якості продукту. У промисловому виробництві ЕСР є серйозною проблемою, яка здатна заподіяти збитки в мільярди доларів щорічно. У реальних умовах експлуатації ЕСР може привести до відмови окремих компонентів, а іноді і системи в цілому. Для захисту інтерфейсів передачі даних можуть використовуватися зовнішні діоди, проте деякі інтерфейсні мікросхеми містять вбудовані компоненти захисту від ЕСР і не вимагають додаткових зовнішніх ланцюгів захисту. На малюнку 5 показана спрощена функціональна схема типової вбудованої ланцюга захисту від ЕСР. Імпульсні перешкоди в сигнальної лінії обмежуються диодной схемою захисту на рівнях напруги живлення VCC і землі і, таким чином, захищають внутрішню частину схеми від пошкоджень. Продукція, що в даний час мікросхеми інтерфейсів і аналогові комутатори з вбудованим захистом від ЕСР в основному відповідають стандарту МЕК (IEC) 61000-4-2.

Компанія Maxim Integrated інвестувала значні кошти в розробку мікросхем з надійною вбудованим захистом від ЕСР і в даний час займає лідируючі позиції у виробництві приймачів інтерфейсів від RS-232 до RS-485. Дані пристрої витримують вплив випробувальних імпульсів ЕСР, відповідних МЕК (IEC) 61000-4-2 і JEDEC JS-001, безпосередньо на порти введення-виведення. Рішення компанії Maxim в області захисту від ЕСР відрізняються надійністю, доступністю, відсутністю додаткових зовнішніх компонентів і меншою вартістю в порівнянні з більшістю аналогів. Всі мікросхеми інтерфейсів виробництва цієї компанії містять вбудовані елементи, що забезпечують захист кожного виведення від ЕСР, що виникають в процесі виробництва і експлуатації. Приймач сімейства MAX3483AE / MAX3485AE забезпечують захист виходів передавачів і входів приймачів від впливу високовольтних імпульсів амплітудою до ± 20 кВ. При цьому зберігається нормальний режим роботи виробів, не потрібно виключення і повторного включення живлення. Крім того, вбудовані елементи захисту від ЕСР забезпечують функціонування при включенні і виключенні живлення, а також в черговому режимі з низьким енергоспоживанням.

Захист від перенапруг

У промислових застосуваннях входи і виходи драйверів RS-485 схильні до збоїв, що виникають в результаті імпульсних перенапруг. Параметри імпульсних перенапруг відрізняються від ЕСР - в той час як тривалість ЕСР зазвичай знаходиться в діапазоні до 100 нс, тривалість імпульсних перенапруг може становити 200 мкс і більше. Причинами виникнення перенапруг можуть бути помилки проводового монтажу, погані контакти, пошкоджені або несправні кабелі, а також краплі припою, які можуть утворювати струмопровідні з'єднання між силовими і сигнальними лініями на друкованій платі або в роз'ємі. Оскільки в промислових системах електроживлення використовуються напруги, що перевищують 24 В, вплив таких напружень на стандартні приймачі RS-485, які не мають захисту від перенапруг, призведе до їх виходу з ладу протягом декількох хвилин або навіть секунд. Для захисту від імпульсних перенапруг звичайні мікросхеми інтерфейсу RS-485 вимагають дорогих зовнішніх пристроїв, виконаних на дискретних компонентах. Приймач RS-485 з вбудованим захистом від перенапруг здатні витримувати синфазних перешкоди в лінії передачі даних до ± 40, ± 60 і ± 80 В. Компанія Maxim виробляє лінійку приймачів RS-485 / RS-422 MAX13442E ... MAX13444E , Стійких до постійних напруг на входах і виходах до ± 80 В відносно землі. Елементи захисту функціонують незалежно від поточного стану мікросхеми, - чи включена вона, вимкнена або знаходиться в черговому режимі, - що дозволяє характеризувати дані приймачі як найбільш надійні в галузі, що ідеально підходять для промислових застосувань. Приймач виробництва компанії Maxim зберігають працездатність при перенапруженнях, обумовлених замиканням силових і сигнальних ліній, помилками проводового монтажу, неправильним підключенням роз'ємів, дефектами кабелів і неправильною експлуатацією.

Стійкість приймачів до невизначеним станів лінії

Важливою характеристикою мікросхем інтерфейсу RS-485 є несприйнятливість приймачів до невизначеним станів лінії, що гарантує установку високого логічного рівня на виході приймача при розімкнутих або замкнутих входах, а також при переході всіх передавачів, підключених до лінії, в неактивний режим (високоімпедансное стан виходів). Проблема коректного сприйняття приймачем сигналів замкнутої лінії даних вирішується шляхом зміщення порогів вхідного сигналу до негативних напруг -50 і -200 мВ. Якщо вхідний диференціальне напруга приймача VA - VB більше або дорівнює -50 мВ - на виході R0 встановлюється високий рівень. Якщо VA - VB менше або дорівнює -200 мВ - на виході R0 встановлюється низький рівень. При переході всіх передавачів в неактивний стан і наявності в лінії кінцевої навантаження диференціальне вхідна напруга приймача близько до нуля, внаслідок чого на виході приймача встановлюється високий рівень. При цьому запас завадостійкості по входу становить 50 мВ. На відміну від приймачів попереднього покоління, пороги -50 і -200 мВ відповідають значенням ± 200 мВ, встановленим стандартом EIA / TIA-485.

Можливість «гарячої» заміни

Мал. 6. Спрощена структурна схема захисту входу DE при гарячої заміни

Схема з «гарячої» заміною віключає з'явилися помилковості імпульсів в Лінії передачі Даних при ініціалізації интерфейсного пристрою або Підключення его до об'єднавчої панелі. Схеми обмеження Струму короткого замикання и Відключення по перегріву захіщають приймач від надмірно великий розсіюється. Гаряча заміна плат пріймачів может віклікаті небажані Перехідні процеси на лініях DE, DE / RE, RE и входах пріймачів A и B, Які могут привести до помилок в передачі Даних. Например, при першій установці плати процесор Виконує операции запуску по включенню живлення. У цьом інтервалі часу виходи передавача знаходяться в вісокоімпедансніх стані, что НЕ дозволяє Їм Встановити детерміновані Рівні сігналів на вході приймач. У тій же година ток виток вісокоімпедансніх виходом на Рівні 10 мкА або паразитная ємнісній зв'язок з ланцюга харчування або землі могут создать напругу зміщення на вході приймач, Пожалуйста буде спрійнято ним як невірне логічне стан. мікросхеми пріймачів MAX3440E / MAX3443E містять вбудований схему Утримання постійніх рівнів ліній DE, DE / RE и RE при «гарячої» заміні. При наростанні напруги живлення VCC внутрішня схема зміщує рівень сигналу DE до землі (до напруги харчування для лінії RE) і утримує його не менше 10 мкс до тих пір, поки впадає струм DE перевищує 200 мкА. Після етапу первісного запуску по включенню живлення схема утримання рівнів відключається і пропускає сигнал безпосередньо. Структурна схема захисту входів при гарячої заміни на прикладі входу DE показана на малюнку 6.

У вхідному ланцюзі дозволу роботи приймача (DE) є два N-канальних МОН-транзистора - M1 і M2. При подачі живлення VCC внутрішній таймер на 15 мкс відкриває транзистор M2 і встановлює RS-тригер, який відкриває також M1. Транзистори M2 і M1 з струмовими стоками 2 мА і 100 мкА відповідно, зміщують потенціал DE до землі через резистор 5,6 кОм. Транзистор M2 здатний утримувати висновок DE в відключеному стані при зовнішньої паразитної ємності до 100 пФ. Після закінчення 15 мкс таймер закриває M2, а M1 залишається відкритим, утримуючи низький рівень DE, що перешкоджає зсуву потенціалу DE до високого рівня внаслідок струмів витоку високоімпедансних виходів передавачів. M1 залишається включеним до тих пір, поки струм зовнішнього джерело струму не перевищить необхідний вхідний струм. У цей момент RS-тригер скидається і закриває M1, при цьому DE стає стандартним високоомним КМОП-входом. При зменшенні VCC нижче 1 В вхід відключається. Компліментарна схема входу RE використовує два P-канальних МОН-транзистора для зміщення рівня RE до потенціалу VCC.

Висновок

Промислові системи, зокрема, автоматизовані виробництва, функціонують в умовах несприятливої ​​електромагнітної обстановки, тому розробнику системного рівня необхідно враховувати наявність паразитних напруг, що виникають при перехідних процесах, і розробляти обладнання, стійке до зовнішніх впливів. У більшості мереж передачі даних використовується найнадійніший з послідовних інтерфейсів - RS-485. Сучасні мікросхеми приймачів RS-485 містять вбудовані елементи, що реалізують посилений захист від електростатичного розряду, захист від перенапруг і можливість гарячої заміни, що оберігає мікросхеми інтерфейсу RS-485 від несприятливих зовнішніх впливів, підтримуючи тим самим високу надійність системи передачі даних.

література

  1. Application note 4491, «Damage from a Lightning Bolt or a Spark-It Depends on How Tall You Are!»;
  2. Application note 5260, «Design Considerations for a Harsh Industrial Environment»;
  3. Application note 639, «Maxim Leads the Way in ESD Protection».
Про компанію Maxim Integrated

Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі

Новости

Арт-терапия в педагогике
Ещё в 1927 году германский психиатр А. Кронфельдом смог обосновать необходимость тесноватого взаимодействия психотерапии и педагогики. Свои идеи он выложил в научной статье “Психогогика, или  Психотерапевтическое

Автозапчасти mercedes-benz
С каждым годом растет количество игроков на автомобильном рынке. Японцы, корейцы, китайцы уже становятся законодателями мод на наших дорогах. Но многим автомобилистам по прежнему дороги мерседесы и форды,

Поставки насосного оборудования
Москва, 20 сентября. /ТАСС/. АО "ОКБМ Африкантов" (заходит в машиностроительный дивизион Росатома - "Атомэнергомаш") прошло аудиторскую проверку на готовность к поставке оборудования для нужд "Газпрома",

Купить iPhone 5s
21 марта 2016 года Apple представила усовершенствованную версию пользующегося популярностью телефона купить iPhone 5s — iPhone SE. «В 2-ух словах» разницу меж ними обычно обрисовывают так: снаружи новинка

Массовка для сьемок киев
Приглашаем поучаствовать в увлекательном проекте парней и дам от 16 до 55 лет готовых провести на съемочной площадке оба денька! Оплата настоящая потому что массовка первого плана(вероятны высказывания)Заявки

50 дней хостинга в подарок
Замечательный хостинг, подходит для тех, у кого несколько сайтов, например у нас 5 сайтов и стоимость всего 299 р/месяц. Для тех, у кого один сайт, вообще цена 99 р/месяц. Мне кажется, дешевле уже просто

Купить осаго
Реальным даю согласие ООО «Сравни.ру», место нахождения: 109544, г. Москва, бульвар Энтузиастов, дом 2, 26 этаж, на обработку моих индивидуальных

Создание сайтов
Свой веб-сайт сегодня не роскошь, а средство продвижения продуктов и услуг! Юзеры веба временами заходят на разные веб-сайты, читают, изучают и рассматривают их. Так почему бы эти веб-сайты не будут вашими.

Лодочные моторы в Тольятти
Новый лодочный мотор нуждается в правильной обкатке. Это условие касается и мотора марки “Ветерок” казанского завода и титулованого “Меркурия”, американо-японского производства. От того как лодочный мотор

Заказать Блиц-проект интерьеров любой степени сложности в любом регионе
Настал тот самый страшны момент - необходимость делать ремонт. Жена настаивает категорически. С чего ремонт начинается? С выбора "чего хочу". Как я задолбался кататься по магазинам: Леруа, Очаг, Куприян,