RS-485 czym jest i jak działa?

Jak działa RS-485? Pod nazwą RS-485 kryje się popularny w automatyce standard przesyłu danych między urządzeniami. Szczególnie często wykorzystywany w wielopunktowych liniach transmisyjnych. Stanowi on warstwę fizyczną popularnych protokołów, takich jak Modbus czy Profibus. W artykule tym przedstawię zasadę działania, sposób implementacji, oraz zasady podłączania urządzeń. Jako przykłady komunikujących się urządzeń będę wykorzystywał produkty Ntronic wyposażone w ten interfejs. Na końcu artykułu umieściłem mały bonus dla czytelników :).

Wprowadzenie i trochę historii do standardu RS485

W 1983 roku Sojusz przemysłu elektronicznego (Electronics Industries Association – EIA) utworzył standard RS485 który szybko znlazł zastosowanie w aplikacjach typowo przemysłowych, medycznych oraz użytkowych. Można powiedzieć, że RS-485 stał się koniem roboczym rozwiązań przemysłowych.

Podstawy RS-485 względem RS-232

Jeśli słyszałeś o standardzie RS232 standard RS485 może również nie być dla Ciebie obcy, ponieważ RS485 można traktować jako starszego brata standardu RS-232. Inaczej mówiąc RS-485 jest to specyficzna forma przesyłania szeregowo danych. Porównując do RS-232, standard ten jest szybszy, odporniejszy na zakłócenia, a największa jego zaletą jest to, że można nim przesyłać nie tylko dane pomiędzy dwoma urządzeniami. Umożliwia on tworzenie sieci łączących wiele urządzeń.

Konfiguracja i specyfikacja standardu RS485 powoduje, że pracuje on bardzo szybko, umożliwiając rozszerzenie zakresu przesyłanych danych, w stosunku do RS232. Maksymalna długość przewodu komunikacyjnego przekracza znacząco 15 m (RS-232) i może wynieść nawet 1200 m.

Kolejną sprawą odróżniającą RS-485 jest brak określonej standardowej końcówki przewodu. Z tego powodu do łączenia tej sieci w niektórych aplikacjach spotkać można zwykłe zaciski śrubowe jako sposób podłączenia sygnałów. Daje to łatwość łącznia różnych urządzeń w tej sieci. Natomiast za standard, już coraz rzadziej spotykany, uważa się wtyk DB9.

Kolejną zaletą standardu RS485 jest wspomniane wcześniej możliwość podłączenia wielu urządzeń. Generalnie uważa się, że do pojedynczej sieci można podłączyć 32 urządzenia, jednak w pewnych wypadkach ta liczba może być znacznie większa. Szerzej opisałem to w sekcji obciążenie linii. Standard komunikacji RS485 pozwala tylko na łączenie dwóch urządzeń. Stosując więc tylko RS-485 można tworzyć duże sieci z dużą liczbą obsługiwanych urządzeń.

Co istotne, dużą przewagą sieci RS485 jest znacznie większa odporność na zakłócenia względem standardu RS-232. Zakłócenia, czy też szumy elektryczne, mogą być źródłem wielu problemów z elektroniką. RS-232 do przesyłania danych jako punkt odniesienia wykorzystuje poziom masy. Zakłócenia mają więc w takim przypadku otwartą drogę i mogą dostać się do urządzenia. W RS-485 ta droga jest zamknięta, oraz można dodatkowo ekranować przewód jako dodatkową ochronę.

Standard RS232 na ściśle określone nazwy sygnałów. W standardzie RS485 z powodu braku definicji warstwy sprzętowej, producenci urządzeń z tym interfejsem stosują różne oznaczenia sygnałów. W urządzeniach Ntronic stosujemy oznaczenia lini A i B. Powszechnie stosowane znaczenia sygnałów w RS485 to:

• Sygnał odwrócony: A = (-) = D- = TxD-/RxD-
• Sygnał nieodwrócony: B = (+) = D+ = TxD+/TxD-

Przykładowe zastosowanie standardu RS-485

RS-485 znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle. Standardowym przykładem wykorzystania w przemyśle tego protokołu jest sterowanie na odległość ze PLC falownikiem zasilającym silnik elektryczny. Połączenie falownika, sterownika PLC i panelu operatorskiego HMi umożliwia sterowanie silnikiem elektrycznym i jest często spotykane w rozwiązaniach przemysłowych. Załóżmy, że chcemy monitorować stan pracy pompy napełniającej zbiornik. Gdy operator uzna, że woda jest pompowana za wolno, za pomocą sieci RS-485 wyśle od panelu operatorskiego do PLC, a ten do falownika komendę zwiększenia obrotów. Program w PLC może także sam regulować prędkość silnika bez udziału człowieka. Protokołem bardzo często wykorzystywanym do sterowania falownikami jest MODBUS. Na temat tego protokołu napisałem drugi bardzo obszerny artykuł.

Oferta Ntronic zawiera przetworniki zawierające porty RS485. Pozwalają one na komunikację ze sterownikami PLC i umożliwiają odczytywanie danych o temperaturze i wilgotności z wielu punktów jednocześnie.

Moduł TD1.01 ↗

TD1.01 to konwerter temperatury z wyświetlaczem LED. Odczytuje temperaturę z 64 czujników temperatury DS18B20 w sieci o długości 100 m. Dane odczytujemy portem RS485 przez Modbus RTU

Przetwornik TD2 ↗

Umożliwia odczyt z czujników temperatury i wilgotności w sieci OneWire o długości nawet 400 m. Dane można odczytywać portami RS485 i USB. Istotne jest, że te porty są separowane galwanicznie.

Węzeł sieci RS-485

Żeby łatwiej zrozumieć całą ideę standardu RS-485 dobrze będzie na początku zapoznanie się czym tak naprawdę jest port RS-485 w urządzeniach. Każde urządzenie posiadające port RS-485 posiada tzw. Transceiver, czyli układ nadajnik odbiornik. Jest to urządzenie elektroniczne będące zarówno nadajnikiem jak i odbiornikiem. Odpowiednie sygnały Transceivera wyprowadzone są na zewnątrz urządzenia tak, by można było podłączyć je do sieci, umożliwiając mu komunikację z innymi urządzeniami. Często układ transceivera jak i całego urządzenia przedstawia się w postaci uproszonego schematu. W artykule również posługiwał się będę tym uproszeniem. Należy jeszcze wspomnieć, że nie zawsze urządzenia mają wyprowadzone sygnały Tx i Rx w postaci 4 sygnałów, a 2-óch. Sygnały Tx i Rx połączone są wewnątrz urządzenia. Zostanie to szerzej omówione w kolejnych częściach.

Tytułowy węzeł sieci jest nic innego jak urządzenie z interfejsem RS-485 podłączone do sieci.

Topologia sieci

Standard RS-485 sugeruje łączenie wszystkich węzłów sieci w układzie łańcuchowym (magistralnym) potocznie nazywanym topologią liniową. Istotne jest, aby linie doprowadzające sygnały z urządzenia do urządzenia były możliwie krótkie. Istnieje związek między czasem narastania sygnału transmisyjnego i długością przyłączy. Przy szybkości transmisji 1000 kb/s i czasie narastania sygnału 100 ns maksymalna długość połączenia urządzenia z magistralą nie powinna przekraczać 2 m. Przy czasie narastania rzędu 500 ns i transmisji 200 kb/s możliwa długość przewodów łączących wzrasta do około 12 m.

RS-485 w topologii Full-duplex

Komunikacja full-dupleksowa, czyli taka, w której nadajnik i odbiornik może nadawać jednocześnie, wymaga dwóch par sygnałów różnicowych, (czterech przewodów). Urządzenie pracujące w tym trybie musi mieć wyprowadzone wszystkie sygnały nadawania i odbioru na zaciski obudowy.

Czasami to rozwiązanie bywa błędnie nazywane interfejsem RS-422. Standard RS-422 nie zezwala na przyłączanie więcej niż jednego nadajnika do jednej pary różnicowej.

RS-485 w Half-duplex ☞ topologia pół dupleksowa

Podstawową topologią standardu jest magistrala z transmisją w trybie pół-dupleksowym. Co istotne do komunikacji urządzeń wykorzystuje się tu tylko jedną parę przewodów różnicowych. Tylko jedno urządzenie może nadawać dane na magistrali w jednej chwili. W przypadku nadawania przez więcej urządzeń dojdzie kolizji danych i żadne dane nie zostaną przesłane.

Protokołu sterujący wszystkimi węzłami w sieci nie może zezwalać na wysyłanie danych przez kilka urządzeń w jednej chwili. Chcemy uniknąć sytuacji, w której więcej niż jedno urządzenie będzie żądało dostępu do sieci w tym samym momencie. Realizację zabezpieczenia przed taką sytuacją mogą pełnić sygnały kontrolne np. adresy urządzeń. Przykładowo odpowiedzi na wysłane zapytanie udziela tylko urządzenie adresowane w zapytaniu.

Poziomy sygnałów standardu RS-485

Sterowniki zgodne ze standardem RS-485 generują różnicowy sygnał wyjściowy o minimalnym napięciu 1,5 V przy obciążeniu 54 Ω, natomiast odbiorniki zgodne ze standardem wykrywają różnicowy sygnał wejściowy o napięciu nawet do 200 mV. Te wartości zapewniają wystarczający margines bezpieczeństwa, aby umożliwić niezawodne przesyłanie danych, nawet przy znacznym pogorszeniu jakości sygnału na kablu i złączach. Ta odporność jest głównym powodem, dla którego RS-485 jest idealnym rozwiązaniem do sieci długodystansowych w otoczeniu pelnym sygnaw mogcych zakcać transmisję.

Napięcie występujące pomiędzy sygnałami linii danych A i B interfejsu RS-485 nazywany napięciem wspólnym. Dozwolony zakres napięcia sygnału wspólnego CMVR (Common mode voltage range) wynosi od -7 V do +12 V. Wspominam teraz o tym, gdyż będę się tym posługiwał w części dotyczącej izolacji galwanicznej.

Okablowanie sieci RS-485

Duże znaczenie ma realizacja transmisji różnicowej za pomocą skrętki dwuprzewodowej. Pojawiające się zakłócenia oddziałują w równym stopniu na obie linie sygnałowe, tworząc sygnał wspólny common-mode, który jest eliminowany na wejściu różnicowym odbiornika.

W przemyśle do realizacji magistrali RS-485 stosuje się zazwyczaj nieekranowaną skrętkę typu UTP o impedancji charakterystycznej 120 Ω i przekroju 22 – 24 AWG (około 0,6mm). Jednak lepszą odporność na zakłócenia zapewnia ekranowana skrętka STP.

• Kabel: LCU5-10CC-0305-S
• Producent: Lanberg
• Rezystancja żyły (max.): 60 – 90 Ω / 305m.
• Rezystancja izolacji (min.): 5000 mΩ/km.
• Pojemność para-a-uziemienie: < 330pF / 100m.
• Temperatura pracy: -20 – 70 °C
• Odległość działania: 100-120m.

Zazwyczaj do realizacji magistrali wykorzystuje się 4 parową skrętkę. Dwie pary przewodów pozostają wolne. Pierwsza para to sygnał różnicowy, a druga łączy masy urządzeń. Nie zaleca się pozostawiać wolnych żył. Do realizacji magistrali RS-485 półdupleksowej można wykorzystać kabel z dwiema parami skręconych przewodów. Natomiast do realizacji magistrali full — dupleksowej wystarczy kabel z trzema parami skręconych przewodów.

Rezystory terminujące — dopasowanie linii w standardzie RS-485

Z uwagi na efekty falowe zachodzące w magistralach linia danych powinna zawsze być zakończona rezystorami dopasowującymi: Rt (terminatorami). Ponadto, jak już wcześniej wspomniałem, doprowadzenia sygnałów od magistrali do urządzeń powinny być możliwie krótkie.

Rezystor terminujący powinien być tak dobrany aby dopasować się do impedancji charakterystycznej przewodu. Standard RS-485 zaleca wykorzystywanie przewodów o impedancji charakterystycznej równej 120 Ω. Z tego powodu często stosuje się rezystory dopasowujące o wartości 120 Ω na każdym z końców kabla. Jeśli w naszym kablu jest ekran, należy pamiętać, aby nie stosować go do łączenia mas. Na temat kwestii łączenia mas więcej napisałem w dalszych częściach.

W aplikacjach gdzie mogą występować silnie zakłócenia, rezystor 120 Ω zastępuje się układem dwóch rezystorów z kondensatorem, tworzy to filtr dolnoprzepustowy. Ważne jest tutaj dokładny dobór rezystancji, gdyż kluczowe jest uzyskanie jednakowej częstotliwości odcięcia tych filtrów. Co istotne niedokładne sparowanie sprawia, że częstotliwości te różnią się i sygnał wspólny jest odbierany jako różnicowy. Może to skutkować zakłamaniem przesyłanych danych. Tak więc zaleca się stosować rezystory o dokładności 1%.

Tryb awaryjny RS-485 – FAILSAFE

Jest to zdolność odbiornika do przyjęcia określonego stanu przy braku sygnału na wejściu. Brak sygnału na wejściu wynikać może z trzech powodów:

1. Otwarty obwód – brak podłączonego urządzenia, bądź przerwanie przewodu transmisyjnego.
2. Zwarty obwód – zwarcie wynikłe np. z uszkodzenia izolacji pary przewodów.
3. Brak aktywności – żaden z węzłów sieci nie zajmuje magistrali.

W standardowych rozwiązaniach wymienione sytuacje powodować mogą odczyt losowych wartości przez odbiornik. Nowoczesne rozwiązania zawierają rozwiązania określające poziom sygnału w takich sytuacjach, jednak dopuszczalny margines zakłóceń dla tych zabezpieczeń wynosi tylko 10 mV. Jest to stosunkowo mało, więc konieczne jest stosowanie dodatkowych obwodów zewnętrznych.

Zewnętrzny obwód typu FAILSAFE składa się z rezystancyjnego dzielnika napięcia. Zapewnia on niezbędny poziom sygnału na wejściu różnicowym. Dzięki niemu zapobiegamy nieokreślonym stanom, w sytuacji awaryjnej. Dobrze obrazuje to schemat poniżej.

Chcąc zapewnić utrzymanie napięcia różnicowego AB na poziomie progowym napięcia wejściowego: 200 mV. Wartość dzielnika należy tak dobrać, by napięcie wejściowe AB odbiornika było nie mniejsze niż suma napięcia progowego i maksymalnego dopuszczalnego marginesu zakłóceń. Zakładając:
– napięcie źródłowe: 4,75 V (5 V – 5%)
– impedancję charakterystyczną przewodu: 120 Ω
– szum na poziomie 50 mV
– napięcie różnicowe 200 mV
Z dzielnika napięcia możemy wyznaczyć RB: (I – prądy rezystorów)

I2B = IT → U2B/R2B = UT/RT → R2B = (U2B/UT)*RT →

R2B = (4,5V/0,25V)*60 Ω → R2B = 1080 Ω → RB = 540 Ω

W literaturze można spotkać się ze wzorem na wyznaczenie tych rezystancji:
RB = Vbusmin / (Vab X (1 / 375 + 4 / z0))
Wyliczona na jego podstawie wartość wynosi 528Ω.

Obciążenie linii RS-485

Każdy odbiornik-urządzenie oraz obwód FAILSAFE stanowi obciążenie magistrali. Nadajnik jest w stanie dostarczyć określoną ilość prądu do magistrali więc wzrost ilości odbiorników powoduje wzrost prądu obciążenia. Z uwagi na ten fakt do magistrali RS-485 można podłączyć ograniczoną ilość urządzeń. Żeby oszacować maksymalną ilość urządzeń w sieci, standard definiuje pojęcie tzw. jednostki obciążenia jednostkowego (UL – Unit Load), która odpowiada rezystancji obciążenia o wartości ok 12 kΩ. Urządzenie spełniające wymogi omawianego standardu powinno być w stanie wysterować 32 urządzenia o takiej rezystancji wejściowej. Dzisiejsze sterowniki często zapewniają mniejsze obciążenie jednostkowe np 1/8 UL, co umożliwia podłączenie do magistrali aż 256 takich urządzeń. Obwód bezpieczeństwa FALISAFE stanowi równoważność 20 UL.

RS-485 – Długość magistrali VS Szybkość transmisji

Maksymalna długość magistrali zależy od poziomu rozsynchronizowania sygnału przy danej szybkości transmisji oraz od strat sygnału w linii. Z tego powodu przy rozsynchronizowaniu przesyłanych bitów powyżej 10% trwania bitu niezawodność przekazywania danych gwałtownie maleje. Dlatego ważny jest dobór odpowiedniej prędkości względem długości magistrali. Poniżej omówię trzy zakresy zależności długości standardowego kabla od maksymalnej zalecanej prędkości transmisji, (przy której poziom rozsynchronizowania będzie mniejszy niż 10%).

Pierwsza część wykresu prezentuje zakres dużej szybkość transmisji na krótkim odcinku kabla, gdzie straty na rezystancji kabla są pomijalne małe. Maksymalna szybkość transmisji zależy od czasu narastania sygnału. Największa rekomendowana prędkość transmisji wynosi 10 Mb/s, natomiast szybkie interfejsy pracują nawet z szybkością rzędu 40 Mb/s.

Środkowa cześć wykresu (2) prezentuje maksymalną szybkość dla pośrednich długość linii. Wraz ze wzrostem długości przewodów znaczenie nabiera reaktancyjny charakter linii i straty w przewodzie muszą być brane pod uwagę oraz należy rozważyć obniżenie prędkość transmisji. Istnieje zasada kciuka, która mówi, że iloraz długości linii [m] i szybkości transmisji [bps] nie powinien przekraczać 10^7. Zasada ta ma już jednak parę lat, nowoczesne kable pozwalają na szybsze przesyły danych, wynikałoby z tej reguły.

Ostatni fragment (3) wykresy prezentuje zakres małej szybkości na dugich liniach. W tym wariancie ograniczenia długości linii wynikają z znaczenia rezystancji linii. Obecność rezystora terminującego może osłabić sygnał -6 dB. W przypadku kabla 22 AWG, 120 W, UTP, dzieje się to na około 1200 m.

Potencjał wyrównawczy sieci RS-485, łączenie mas urządzeń

Podczas projektowania odległych sieci należy pamiętać o istnieniu różnic potencjałów mas komunikujących się urządzeń tzw GPD, z ang. ground potential differences. Napięcie między punktami mas dodaje się do składowej wspólnej przesyłanego sygnału różnicowego. Nawet jeśli napięcie to mieści się w zakresie napięcia odbiornika, poleganie na lokalnym systemie uziemienia jest niebezpieczne. Oddalone urządzenia mogą pobierać energię z różnych części instalacji elektrycznej i nawet jeśli nasz system komunikacji działa, to przykładowo jakieś zmiany w instalacji elektrycznej spowodowane pracami konserwacyjnymi mogą podnieść GPD powyżej poziomu akceptowalnego przez odbiornik.
Mogą wydarzyć się tak, że działające danej chwili łącze danych może przestać działać w przyszłości, dlatego nie zaleca się stosować tego rozwiązania.

Bezpośrednie połączenie mas oddalonych urządzeń również nie jest najlepszą opcją. Takie połączenie otwiera drogę pętli prądowej, a płynący nią prąd wyrównawczy wytwarza szum dodający się do składowej wspólnej sygnału różnicowego.

Żeby umożliwić bezpośrednie połączenie mas urządzeń oddalonych urządzeń, standard RS-485 rekomenduje dodanie rezystancji między każdym z łączonych urządzeń a lokalnym systemem uziemienia. Rozwiązanie to zmniejsza wartość prądu wyrównawczego, a co za tym idzie szum, który mógłby powstać z prądów wyrównawczych. Problemem pozostaje jednak sama obecność pętli prądowej. Mogą się w niej indukować zakłócenia pochodzące z innych źródeł, więc dalej nie jest to rozwiązanie idealne.

Najlepszym rozwiązaniem w przypadku rozległych sieci jest zastosowanie czwartej metody, którą jest izolacja galwaniczna.

Izolacja galwaniczna w RS-485

Kwestia izolacji w instalacjach RS-485 jest to temat na tyle obszerny, że można by napisać na ten temat oddzielny artykuł. Rozwiązanie to umożliwia łączenie odległych urządzeń których różnica potencjałów mas (GPD) może wynosić nawet kilka kilowoltów. Jest to możliwe dzięki stosowaniu specjalnych odseparowujących transceiwerów. Dzięki nim sygnał przekazywany oraz masy urządzeń nie są połączone elektrycznie. Zapobiega to przepływowi prądu pomiędzy masami komunikujących się systemów, co zapobiega tworzeniu się pętli prądowych.

Wysokie wymagania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemów przemysłowych oraz trudne warunki ich pracy wymuszają stosowanie izolacji galwanicznej. Chroni ona użytkowników oraz układy elektroniczne przed działaniem wysokich napięć elektrycznych. Przepływ prądu między urządzeniami komunikującymi się tworzy pętle masy. Stosując izolację galwaniczną, eliminujemy przepływ prądu, jednoczenie poprawiając integralność sygnału, a co za tym idzie kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia. RS-485 stosuje się powszechnie do realizacji połączeń między urządzeniami w wielu branżach, takich jak przemysł, medycyna czy systemy BMS (Building Management System). Chcąc ochronić przed uszkodzeniem elementy i urządzenia w takich systemach, można galwanicznie odizolować każde z nich. W takiej izolowanej sieci, sygnały i dane są przekazywane pomiędzy urządzeniami bez bezpośredniego przepływu prądu między nimi. Pętla prądowa jest zminimalizowana.

Nie izolowany RS485

Żeby dobrze zrozumieć kluczową rolę izolacji, cofnijmy się do sytuacji połączenia urządzeń w sieci RS-485 bez izolacji galwanicznej. Na rysunku poniżej zaznaczono wszystkie parametry wpływające na rzeczywistą wartość napięcia sygnału na wejściu odbiornika.

• V_OC – napięcie wyjściowe nadajnika
• GPD – różnicę potencjałów masy
• V_N – zakłócenia w kanale transmisyjnym.

Rzeczywiste napięcie na wejściu odbiornika jest sumą wymienionych napięć:

V_CM = V_OC + GPD + V_N.

Sygnał wychodzący z nadajnika jest różnicowy względem sygnału wspólnego wynoszącego V_OC = V_CC/2. Napięcie wyjściowe na liniach nadajnika wynosi odpowiednio V_A = V_CC/2 ± V_D/2 oraz V_B = V_CC/2 ± V_D/2, (V_D to przesyłane dane) 

Odbiornik odbiera sygnał różnicowy i wyznacza różnice napięcia linii A względem B. Ponieważ sygnał wspólny (potencjalne zakłócenie) pojawia się w obu liniach, w rezultacie sam się kompensuje V_N – V_N = 0. Daje to odporność na zakłócenia. Jednak odbiornik mierzy napięcia względem masy, jeśli napięcie wspólne przekroczy dozwolony zakres CMVR może to nie tylko spowodować błędną pracę odbiornika, ale również jego uszkodzenie. 

Izolacja galwaniczna podnosi napięcie wspólne w RS485

Napięcie występujące pomiędzy sygnałami linii danych A i B interfejsu RS-485 nazywany napięciem wspólnym. Dozwolony zakres napięcia sygnału wspólnego CMVR (Common mode voltage range) wynosi od -7 V do +12 V.

Separacja galwaniczna odbiornika zabezpiecza układ przed sytuacją przekroczenia napięcia wspólnego, gdyż znacząco zwiększa zakres CMVR. Izolacja musi obejmować zarówno linie zasilające, jak i transmisji danych. Do izolacji linii zasilania oraz masy wykorzystuje się przetwornicę DC-DC, natomiast do izolacji linii danych stosuje się izolatory cyfrowe. W układzie izolowanym dalej występuje różnica potencjałów (GDP) pomiędzy dwoma punktami uziemienia GND₁ oraz GND₂. Bariera izolacyjna eliminuje bezpośredni przepływ prądu pomiędzy tymi punktami, natomiast w obwodzie odbiornika powstaje masa pływająca GND_2(floating).

Bariera izolacyjna stanowi bardzo dużą rezystancję (V_Riso = 10¹⁴ Ω). Porównując to do znacznie mniejszej rezystancji odbiornika (rzędu 10⁵ Ω), niemal całe napięcie wspólne V_CM odkłada się na barierze izolacyjnej (V_Riso ≈ V_CM). Eliminuje to wpływ sygnału wspólnego na odbiornik niemal całkowicie. Ponadto potencjał masy pływającej GND_2(floating) zmienia się wraz ze zmianami napięcia wejściowego, zabezpieczając dodatkowo odbiornik przed przekroczeniem maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia wejściowego. Zasilanie odbiornika nie jest wrażliwe na zmiany napięcia wspólnego gdyż GND_2(floating) jest poziomem odniesienia dla V_CC2-ISO. Taki sposób separacji znacząco zwiększa bezpieczny dla odbiornika zakres CMVR, zapewniając ochronę przed ewentualnymi skutkami wystąpienia zbyt wysokiego napięcia w liniach transmisyjnych.

Warto zwrócić uwagę, że izolowany interfejs RS-485 wymaga separowania, poza liniami danych (TxD i RxD), również linii sterujących kierunkiem przepływu danych (RE oraz DE).

W przypadku połączenia point-to-point (tylko dwóch modułów) rozwiązaniem wystarczającym jest izolacja tylko jednego z węzłów magistrali – nie ma potrzeby izolowania drugiego węzła sieci. Znaczenie częściej spotyka się sieci multi-point (wielopunktowe) gdzie powszechną praktyką jest separacja galwaniczna każdego modułu, co upraszcza proces projektowania układów oraz produkcji płytek drukowanych.

Układy RS-485 z izolacją galwaniczną

Na rynku dostępne są dedykowane układy separujące pod konkretny interfejs komunikacyjny (oczywiście również RS-485), zapewniają one izolację wielokanałową linii danych i zasilania. W izolację galwaniczną wyposażone są również niektóre modele transceiverów (układów nadawczo-odbiorczych). Takie gotowe rozwiązania poza izolacją galwaniczną, często zapewniają ochronę ESD linii sygnałowych, co pozwala zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej oraz skrócić czas projektowania systemu.  Układy te często bazują na technologii  gigantycznej magneto rezystancji (GMR), dzięki czemu zapewnia ochronę przed napięciami rzędu 2,5 kV. Sygnał wejściowy steruje uzwojeniem pierwotnym, dzięki czemu wytwarza pole magnetyczne zmieniające rezystancję rezystorów GMR. W takim izolatorze umieszcza się cztery rezystory w układzie mostka Wheatstone’a — napięcie wyjściowe mostka zależy od zmian pola magnetycznego generowanego przez uzwojenie pierwotne.

Przewagą izolatorów opartych na technologii GMR w porównaniu do rozwiązań pojemnościowych oraz indukcyjnych jest mniejsze zużycie energii (nie wymagają modulacji sygnału wejściowego), dużo niższy poziom emisji elektromagnetycznej. Z powodu braku modulacji sygnału są również znacznie bardziej odporne na działanie zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych, pozytywnie wpływa to na kompatybilność elektromagnetyczną całego urządzenia.

Bardzo często w rozwiązaniach przemysłowych zastosowanie izolacji galwanicznej jest narzucone przez regulacje prawne czy też standardy danego typu rozwiązań. Podsumowując separacja galwaniczna znacząco zwiększa odporność magistrali RS-485 na zakłócenia oraz awarie elektryczne. Poprawia Bezpieczeństwo urządzeń oraz użytkowników przed zbyt wysokim napięciem, które może pojawić się w układzie z przyczyn losowych.

Przykładem urządzenia z interfejsem RS485, na którym w kolejnej części pokażę sposoby podłączania urządzeń jest produkt od Ntronic, czyli przetwornik TD2. Urządzenia to wyposażone jest w izolowany port RS485 z zaimplementowanym protokołem MODBUS-RTU, więc pracuje trybie half-duplex. Sygnały różnicowe nadajnika i odbiornika zostały połączone wewnątrz urządzenia. Na złączach śrubowych nr 8, 9, 10 znajdują się wyprowadzenia portu kolejno GND, A, B.

Moduł TD1.01 ↗

TD1.01 to konwerter temperatury z wyświetlaczem LED. Odczytuje temperaturę z 64 czujników temperatury DS18B20 w sieci o długości 100 m. Dane odczytujemy portem RS485 przez Modbus RTU

Przetwornik TD2 ↗

Umożliwia odczyt z czujników temperatury i wilgotności w sieci OneWire o długości nawet 400 m. Dane można odczytywać portami RS485 i USB. Istotne jest, że te porty są separowane galwanicznie.

Łączenie urządzeń w sieci RS-485

W przykładzie sieci z rysunku powyżej mamy 3 urządzenia połączone w sieci RS-485. Węzeł 2 i 3 (przetworniki TD2) posiadają izolowane porty RS-485, natomiast punkt masy węzła PLC/SCADA połączony jest do lokalnego sytemu uziemienia, stanowi więc punkt odniesienia dla całej magistrali. Ponieważ jest to rozległa sieć, na zaciskach najbardziej oddalonych urządzeń umieszczono rezystory terminujące. Niektóre urządzenia posiadają wewnętrzne terminatory, które wystarczy włączyć za pomocą przełącznika bądź zworki.

Do połączenia mas wykorzystano wolną parę przewodów zastosowanej skrętki. W przypadku stosowania skrętki z ekranem można go podłączyć do PE instalacji, ale nigdy nie należy go łączyć z masą urządzenia! Do połączenia mas wykorzystać należy wolną parę przewodów. Najbardziej odpornym na zakłócenia rozwiązaniem jest połączeni masy urządzeń wolną parą przewodów.

Jeśli chcemy podłączyć urządzenie 4 przewodowe do sieci 2 przewodowej ,powinniśmy wykonać mostki sygnałów TxA i RxA oraz TxB i RxB (na niebiesko poniżej). Należy pamiętać w tym wypadku, że takie urządzenie nie będzie mogło pracować w trybie full-duplex.

Podłączenie urządzenia z 2-przewodowym interfejsem RS-485 do magistrali 4-przewodowej, wymaga połączenia mostkowego pomiędzy liniami danych TxA i RxA oraz TxB i RxB. Tak zmodyfikowana linia również może pracować tylko w trybie half-duplex.

Podsumowanie i bonus

Najważniejsze informacje dot. magistrali RS-485 to:

• RS-485 nie jest protokołem a standardem definiujący interfejs połączenia elektrycznego.
• Do tworzenia magistrali należy stosować „skrętkę” będącą zbalansowanym kablem połączeniowym. 
• Dwie linie A i B MUSZĄ wykorzystywać JEDNĄ skręconą parę w skrętce.
• Komunikacja RS-485 jest odpowiednią dla otoczenia, w którym występują zakłócenia. Odporność na zakłócenia zyskuje dzięki różnicowej transmisji sygnału, zakłócenie indukują się obu parach przewodów i są odejmowane w odbiorniku.
• Topologia magistrali jest liniową topologią punkt-punkt, dzięki czemu może być rozszerzona na wiele punktów.
• Połączenie w “gwiazdę” lub “równoległe” jest nieprawidłowe, gdyż prowadzi do nadmiernie wysokich odbić lub niskiej impedancji.
• Magistrala RS-485 musi mieć tylko dwa końce i muszą być zakończone terminatorami, dzięki czemu unikamy efektu odbić sygnału.
• Magistrala RS-485 można wykonywać jako 2-przewodową lub 4-przewodową. (Moduł TD2 oferuje opcję 2-przewodową).
• Linie danych magistrali powinny być wyrównane do potencjałów +5 V i GND. Ma to na celu uniknięcie efektu „pływającego” potencjału i zapewnia bezpieczną pracę, zmniejszając wrażliwość na zakłócenia.

Artykuł ten jedynie porusza najważniejsze aspekty komunikacji w sieciach RS-485. Myślę, że pomimo ogromu technicznej dokumentacji dot. tematu udało mi się przedstawić temat na tyle jasno, by rozwiać część wątpliwość w świecie integratorów.

Jeśli chciałbyś więcej tego typu wpisów, czy też masz jakieś uwagi, lub chciałbyś coś dodać – proszę podziel się tym w komentarzu, czy też napisz do mnie na maila. Przygotowałem poradnik w formie PDF. Udostępniam go oraz inne bonusy (np Program który wykrywa nowy port COM w komputerze) osobom zapisanym na mój newsletter. Jeśli chcesz się zapisać wystarczy kliknąć tu: Materiały . Informuję w nim o nowych wpisach i nowościach z firmy Ntronic.

tel: +48 518 459 388
norbert.szymczyk@ntronic.pl