РазводкаRS-485 (Раздаточный материал к курсовому проекту)

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs485/app.htmMaxim's Application Note 373 (январь 2001 года)Переводчик Игорь Николаевич Бирюков (11 марта 2001 г.)Правильная разводка сетей RS-485Цель настоящей статьи - предоставить базовые рекомендации по выбору схемысоединений для сетей на основе RS-485.

Спецификация RS-485 (официальное названиеTIA/EIA-485-A) не дает конкретных пояснений по поводу того, как должна осуществлятьсяразводка сетей RS-485. Однако она предоставляет некоторые рекомендации. Этирекомендации и инженерная практика в области обработки звука положены в основу этойстатьи. Однако представленные здесь советы ни в коем случае не охватывают всегоразнообразия возможных вариантов построения сетей.RS-485 передает цифровую информацию между многими объектами.

Скоростьпередачи данных может достигать 10 Мбит/с, а иногда и превышать эту величину. RS-485предназначен для передачи этой информации на значительные расстояния, и 1000 метровхорошо укладывается в его возможности. Расстояние и скорость передачи данных, скоторыми RS-485 может успешно использоваться, зависят от многих моментов приразработке схемы межсоединений системы.КабельRS-485 спроектирован как балансная система. Проще говоря, это означает, что,помимо земляного, имеется два провода, которые используются для передачи сигнала.Рис. 1.

Балансная система использует, помимо земляного, два провода для передачи данных.Система называется балансной, потому что сигнал на одном проводе являетсяидеально точной противоположностью сигнала на втором проводе. Другими словами, еслиодин провод передает высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, инаоборот.

См. Рис. 2.Рис. 2. Сигналы на двух проводах балансной системы идеально противоположны.Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованиемразличных типов передающей среды, он должен использоваться с проводкой, обычноназываемой "витая пара".Что такое витая пара и почему она используется?Как следует из ее названия, витая пара - это просто пара проводов, которые имеютравную длину и свиты вместе. Использование передатчика, отвечающего требованиямспецификации RS-485, с кабелем на основе витой пары, уменьшает два главных источникапроблем для разработчиков быстродействующих территориально распределенных сетей, аименно излучаемые электромагнитные помехи и индуцируемые электромагнитные помехи(наводка).Излучаемые электромагнитные помехиКак показано на рисунке 3, всякий раз, когда для передачи информации используютсяимпульсы с крутыми фронтами, в сигнале присутствуют высокочастотные составляющие.Эти крутые фронты нужны при более высоких скоростях, чем способен обеспечить RS-485.Рис.

3. Форма сигнала последовательности прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц и ееБПФПолученные в итоге высокочастотные компоненты этих крутых фронтов вместе сдлинными проводами могут привести к излучению электромагнитных помех (EMI).Балансная система, использующая линии связи на основе витой пары, уменьшает этотэффект, делая систему неэффективным излучателем. Это работает на очень простомпринципе. Поскольку сигналы на линиях равны, но инверсны, излучаемые от каждогопровода сигналы будут также иметь тенденцию быть равными, но инверсными.

Это создаетэффект подавления одного сигнала другим, что, в свою очередь, означает отсутствиеэлектромагнитного излучения. Однако, это основано на предположении, что провода имеютточно одинаковую длину и точно одинаковое расположение. Поскольку невозможноодновременно иметь два провода абсолютно одинаково расположенными, провода должныбыть близко друг к другу насколько возможно.

Скручивание проводов помогаетнейтрализовать любое остаточное электромагнитное излучение из-за конечного расстояниямежду двумя проводами.Индуцируемые электромагнитные помехиИндуцируемые электромагнитные помехи - в основном та же самая проблема, что иизлучаемые, но наоборот. Межсоединения, используемые в системе на основе RS-485, такжедействуют как антенна, которая получает нежелательные сигналы. Эти нежелательныесигналы могут искажать полезные сигналы, что, в свою очередь, может привести к ошибкамв данных. По той же самой причине, по которой витая пара помогает предотвращатьизлучение электромагнитных помех, она также поможет снизить влияние наводимыхэлектромагнитных помех.

Поскольку два провода расположены вместе и скручены, шум,наведенный на одном проводе будет иметь тенденцию быть тем же самым, что и наведенныйна втором проводе. Этот тип шума называют "синфазным шумом". Поскольку приемникиRS-485 предназначены для обнаружения сигналов, которые являются противоположностьюдруг друга, они могут легко подавлять шум, который является общим для обоих проводов.Волновое сопротивление витой парыВ зависимости от геометрии кабеля и материалов, используемых в изоляции, витаяпара будет обладать соответствующим "волновым сопротивлением (характеристическимимпедансом)", которое обычно определяется ее производителем. Спецификация RS-485рекомендует, но явно не навязывает, чтобы это волновое сопротивление было равно 120 Ом.Рекомендация этого импеданса необходима для вычисления наихудшей нагрузки идиапазонов синфазных напряжений, определенных в спецификации RS-485.

По всейвидимости, спецификация не диктует этот импеданс в интересах гибкости. Если по какимлибо причинам не может использоваться 120-омный кабель, рекомендуется, чтобынаихудший вариант нагрузки (допустимое число передатчиков и приемников) и наихудшиедиапазоны синфазных напряжений были повторно рассчитаны, дабы удостовериться, чтопроектируемая система будет работать. Публикация TSB89 содержит раздел, специальнопосвященный таким вычислениям.Число витых пар на каждый передатчикТеперь, когда мы понимаем, какой нужен тип кабеля, возникает вопрос о том, какимколичеством витых пар может управлять передатчик. Ответ короткий - точно одной. Хотяпередатчик и может при некоторых обстоятельствах управлять более чем одной витой парой,это не предусмотрено спецификацией.Согласующие резисторыПоскольку затронуты высокие частоты и большие расстояния, должное вниманиедолжно быть уделено эффектам, возникающим в линиях связи.

Однако, детальноеобсуждение этих эффектов и корректных методов согласования далеко выходит за рамкинастоящей статьи. Помня об этом, техника согласования будет кратко рассмотрена в своейпростейшей форме, постольку, поскольку она имеет отношение к RS-485.Согласующий резистор - это просто резистор, который установлен на крайнем концеили концах кабеля (Рис. 4).

В идеале, сопротивление согласующего резистора равноволновому сопротивлению кабеля.Рис 4. Согласующие резисторы должны иметь сопротивление, равное волновомусопротивлению витой пары и должны размещаться на дальних концах кабеля.Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлениюкабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно.

Это описываетсяуравнением (Rt-Zo)/(Zo+Rt), где Zo - сопротивление кабеля, а Rt - номинал согласующегорезистора. Хотя, в силу допустимых отклонений в кабеле и резисторе, некоторое отражениенеизбежно, значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие длятого, чтобы привести к ошибкам в данных. См. рисунок 5.Рис. 5. Используя схему, показанную на верхнем рисунке, сигнал слева был получен с MAX3485,нагруженным на 120-омную витую пару, и 54-омным согласующим резистором.

Сигнал справа былполучен при корректном согласовании с помощью 120-омного резистора.Помня об этом, важно обеспечить максимально-возможную близость значенийсопротивления согласующего резистора и волнового сопротивления. Место установкисогласующего резистора также очень важно. Согласующие резисторы должны всегдаразмещаться на дальних концах кабеля.Как общее правило, согласующие резисторы должны быть помещены на обоихдальних концах кабеля. Хотя правильное согласование обоих концов абсолютно критичнодля большинства системных дизайнов, можно утверждать, что в одном специальном случаенеобходим только один согласующий резистор.

Этот случай имеет место в системе, вкоторой имеется единственный передатчик, и этот единственный передатчик расположен надальнем конце кабеля. В этом случае нет необходимости размещать согласующий резисторна конце кабеля с передатчиком, поскольку сигнал всегда распространяется от этогопередатчика.Максимальное число передатчиков и приемников в сетиПростейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного передатчика и одногоприемника.

Хотя это и полезно в ряде приложении, но RS-485 привносит большую гибкость,разрешая более одного приемника и передатчика на одной витой паре. Допустимыймаксимум зависит от того, насколько каждое из устройств загружает систему.В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметьбесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, такне бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчикиувеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить,сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица,называемая "единичная нагрузка (unit load)".

Все устройства, которые подключаются к сетиRS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки.Два примера - MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487,который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичныхнагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованнымкабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) - 32. Для приведенныхвыше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройствMAX3485 или до 128 MAX487.Примеры правильных сетейВооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторыесети на основе RS-485.