Чем отличается rs232 от rs485. Физические интерфейсы RS485 и RS422
Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA -485-А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus , Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:
- двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
- работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;
- большая длина линии связи;
- достаточно высокая скорость передачи.
2.3.1. Принципы построения
Дифференциальная передача сигнала
В основе построения интерфейса RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data + и Data - (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [ - TIA ].
Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data + и Data -. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).
Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.
Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.
"Третье" состояние выходов
|
Рис. 2.1. Соединение трех устройств с интерфейсом RS -485 по двухпроводной схеме |
Второй особенностью передатчика D (D - "Driver ") интерфейса RS -485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable ) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рис. 2.1 передачу выполняет устройство , а прием - устройство , то выходы передатчиков и переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков и не шунтирует линию.
Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request To Send ) СОМ-порта.
Четырехпроводной интерфейс
Интерфейс RS -485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную . Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 2.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной ) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 2.2).
Недостатком четырехпроводной (рис. 2.2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.
Режим приема эха
|
|
|
Рис. 2.2. Четырехпроводное соединение устройств с интерфейсом RS -485 |
Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется "приемом эха" и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.
Заземление, гальваническая изоляция и защита от молнии
Если порты RS -485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS -485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS -485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы RealLab!).
Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты, см. раздел "Защита от помех" .
2.3.2. Стандартные параметры
В последнее время появилось много микросхем трансиверов интерфейса RS -485, которые имеют более широкие возможности, чем установленные стандартом. Однако для обеспечения совместимости устройств между собой необходимо знать параметры, описанные в стандарте (см. табл. 2.2).
2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии
Когда передатчики всех устройств, подключенных к лини, находятся в третьем (высокоомном) состоянии, логическое состояние линии и входов всех приемников не определено. Чтобы устранить эту неопределенность, неинвертирующий вход приемника соединяют через резистор с шиной питания, а инвертирующий - с шиной "земли". Величины резисторов выбирают такими, чтобы напряжение между входами стало больше порога срабатывания приемника (+200 мВ).
Поскольку эти резисторы оказываются подключенными параллельно линии передачи, то для обеспечения согласования линии с интерфейсом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление на входе линии было равно 120 Ом.
Например, если резисторы, используемые для устранения неопределенности состояния линии, имеют сопротивление 450 Ом каждое, то резистор для согласования линии должен иметь номинал 130 Ом, тогда эквивалентное сопротивление цепи будет равно 114120 Ом. Для того, чтобы найти дифференциальное напряжение линии в третьем состоянии всех передатчиков (см. рис. 2.6), нужно учесть, что к противоположному концу линии в стандартной конфигурации подключен еще один резистор сопротивлением 120 Ом и до 32 приемников с входным дифференциальным сопротивлением 12 кОм. Тогда при напряжении питания (рис. 2.6) дифференциальное напряжение линии будет равно +272 мВ, что удовлетворяет требованию стандарта.
2.3.6. Сквозные токи
В сети на основе интерфейса RS -485 может быть ситуация, когда включены два передатчика одновременно. Если при этом один из них находится в состоянии логической единицы, а второй - в состоянии логического нуля, то от источника питания на землю течет "сквозной" ток большой величины, ограниченный только низким сопротивлением двух открытых транзисторных ключей. Этот ток может вывести из строя транзисторы выходного каскада передатчика или вызвать срабатывание их схемы защиты.
Такая ситуация возможна не только при грубых ошибках в программном обеспечении, но и в случае, если неправильно установлена задержка между моментом выключения одного передатчика и включением другого. Ведомое устройство не должно передавать данные до тех пор, пока передающее не закончит передачу. Повторители интерфейса должны определять начало и конец передачи данных и в соответствии ними переводить передатчик в активное или третье состояние.
2.3.7. Выбор кабеля
В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS -485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS -485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.
Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов.
При использовании неизолированных трансиверов интерфейса кроме сигнальных проводов в кабеле необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов. При наличии гальванической изоляции интерфейсов этого делать не нужно.
Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля не намного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.
При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS -485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.
На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 2.7) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике. К примеру, ослабление сигнала в кабеле Belden 9501PVC составляет 10 дБ (3,2 раза) на частоте 20 МГц и 0,4 дБ (на 4,7%) на частоте 100 кГц при длине кабеля 100 м.
2.3.8. Расширение предельных возможностей
Стандарт RS -485 допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику. Эта величина ограничивается мощностью выходного каскада передатчика при стандартном входном сопротивлением приемника 12 кОм. Количество нагрузок (приемников) может быть увеличено с помощью более мощных передатчиков, приемников с большим входным сопротивлением и промежуточных ретрансляторов сигнала (повторителей интерфейса). Все эти методы используются на практике, когда это необходимо, хотя они выходят за рамки требований стандарта.
В некоторых случаях требуется соединить устройства на расстоянии более 1200 м или подключить к одной сети более 32 устройств. Это можно сделать с помощью повторителей (репитеров , ретрансляторов) интерфейса. Повторитель устанавливается между двумя сегментами линии передачи, принимает сигнал одного сегмента, восстанавливает фронты импульсов и передает его с помощью стандартного передатчика во второй сегмент (рис. 2.5). Такие повторители обычно являются двунаправленными и имеют гальваническую изоляцию. Примером может служить повторитель NL-485C фирмы RealLab! . Каждый повторитель позволяет добавить к линии 31 стандартное устройство и увеличить длину линии на 1200 м.
Распространенным методом увеличения числа нагрузок линии является использование приемников с более высокоомным входом, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить 64 приемника. Уже выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети (www.analog.com/RS485). Отметим, что увеличение количества нагрузок путем увеличения входного сопротивления приемников приводит к уменьшению мощности передаваемого по линии сигнала, и, как следствие, к снижению помехоустойчивости.
2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422
Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS Рис. 2.9. Соединение двух модулей преобразователей интерфейса RS-232/RS-422Дифференциальный
Дифференциальный
Максимальное количество приемников
Максимальная длина кабеля
Максимальная скорость передачи
30 Мбит/с**
Синфазное напряжение на выходе
Напряжение в линии под нагрузкой
Импеданс нагрузки
Ток утечки в "третьем" состоянии
Допустимый диапазон сигналов на входе приемника
Чувствительность приемника
Входное сопротивление приемника
Примечание . **Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не является стандартной.
* EIA - Electronic Industries Association - ассоциация электронной промышленности. TIA - Telecommunications Industry Association - ассоциация телекоммуникационной промышленности. Обе организации занимаются разработкой стандартов.
Рассказать в:Интерфейс стандарта EIA RS232C предназначен для последовательной связи двух
устройств. Он является общепринятым и широко используется в аппаратных комплексах с
подсоединением внешнего оборудования к персональному компьютеру. Интерфейс
RS/232C предусматривает использование «несимметричных» передатчиков и
приемников, при этом передача данных осуществляется с помощью «несимметричного»
сигнала по двум линиям – ТхD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии
GND («нуля»). Логической единице соответствует диапазон значений амплитуды
сигнала (напряжения) от –12 до –3 В, логическому нулю – от +3 до +12 В. Диапазон от
–3 до +3 В соответствует зоне нечувствительности, определяющей гистерезис приемника.
Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного
интерфейса, особенно при промышленных помехах. Наличие линий приема (RxD) и передачи
(TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е.
одновременно информация может как передаваться, так и приниматься.
Достоинства - простота.
Недостатки - к одному порту подключается только одно устройство, дальность передачи сигналов без дополнительных примочек - всего несколько метров
Для управления потоком данных наиболее широко используется аппаратный способ
управления. Для корректной передачи данных необходимо, чтобы приемник находился в
состоянии готовности к приему информации. При аппаратном способе управления
используется сигнал RTS/CTS, который позволяет остановить передачу данных, если
приемник не готов к их приему. Аппаратное управление потоком данных обеспечивает самую
быструю реакцию передатчика на состояние приемника.
При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее
распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта
EIA RS485. В отличие от RS/232, этот интерфейс предусматривает передачу данных с
помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В)
(см.рисунок) и использование дополнительной линии для выравнивания потенциалов
заземления устройств, объединенных в сеть стандарта RS/485. Логический уровень сигнала
определяется разностью напряжений на линиях (А – В), при этом логической единице
соответствует диапазон значений напряжения от +0,2 до +5 В, а логическому нулю – диапазон
значений от –0,2 до –5 В. Диапазон от –0,2 до +0,2 В соответствует зоне нечувствительности
приемника. При использовании данного интерфейса максимальная длина линии связи между
крайними устройствами может составлять до 1200 м. При этом в максимально удаленных
друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы
(терминаторы), позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и
минимизировать амплитуду отраженного сигнала.
Сопротивления согласующих резисторов зависит от длины линии и колличества приборов. Оно должно быть в пределах от 100 до 620 ОМ.
Оба указанных интерфейса поддерживаютасинхронный режим передачи. Данные
посылаются блоками (кадрами), формат которых представлен на рис. 1.2. Передача каждого
кадра начинается со старт/бита, сигнализирующего приемнику о начале передачи, за
которым следуют биты данных и бит четности. Завершает посылку стоп/бит, гарантирующий
паузу между посылками.
Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150,
300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с. Количество бит данных
может составлять 5, 6, 7 или 8 (5/ и 6/битные форматы распространены незначительно).
Количество стоп/бит может составлять 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только
длительность стопового интервала).
Раздел.
RS-232 и RS-485
RS-232 и RS-485 являются двумя стандартами для электропередачи, которые предшествовали современным компьютерам. И, несмотря на их возраст, они все еще в значительной степени используются сегодня. Основное различие между ними - это количество проводов, которые они используют. RS-232 использует 9 отдельных проводов; хотя некоторые разъемы, такие как DB25, имеют больше контактов; дополнительные контакты не используются и только что соединены с землей. С другой стороны, RS-485 использует только 3 провода; 2 для передачи данных и 1 для общей площадки. Использование меньшего количества проводов означает, что RS-485 более экономичен, чем RS-232, поскольку затраты на проводку меньше.
Одно из преимуществ RS-232 состоит в том, что он уже совместим с полным дуплексом. RS-485 может работать только в полудуплексном режиме, если не используется второй набор проводов, так что один набор используется для передачи, а другой используется для приема.
Существует также разница между RS-232 и RS-485, когда речь идет о напряжениях, которые они используют. RS-485 использует только положительные и отрицательные 5V для создания дифференциального напряжения, который приемник затем распознает как единицы и нули. С другой стороны, RS-232 рекомендует напряжение передачи ± 12 В, хотя максимум составляет ± 15 В. Уровень напряжения может ухудшаться до ± 3 В на приемном конце и все же быть понятным для приемника.
Другим преимуществом RS-485 является его превосходный диапазон. Единственное соединение RS-485 может достигать 4000 футов. или 1200 м. Для сравнения, кабели RS-232 имеют типичный диапазон 50 футов. или 15 м. С использованием специализированных кабелей диапазон кабелей RS-232 может быть расширен, но только до 1000 футов. или примерно 300 м.
Хотя оба эти стандарта электропередачи не были предназначены для компьютерной индустрии, в какой-то момент они видели широкое использование. RS-485 когда-то использовался с SCSI, а RS-232 был распространенным интерфейсом для модемов, клавиатур, мышей и многих других компьютерных периферийных устройств. В настоящее время RS-232 уже устарел и постепенно прекращается в пользу других стандартов, таких как USB и Firewire. Но многие компьютеры по-прежнему имеют порт RS-232 для обеспечения совместимости. RS-485 также постепенно прекращается в компьютерном оборудовании, но широко используется в других электронных устройствах; примером которого является контроль камер видеонаблюдения.
1.RS-232 использует 9 проводов, в то время как RS-485 использует только 3. 2.RS-232 является полнодуплексным, а RS-485 - полудуплексным. 3.RS-232 работает при ± 15 В, а RS-485 работает только при ± 5 В. 4.RS-485 имеет больший диапазон, чем RS-232. 5.RS-232 чаще встречается в компьютерах, чем RS-485.
В современном мире, очень большое количество промышленного оборудования работает через физические интерфейсы, для связи.
Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).
Рассмотрим несколько популярных интерфейсов: RS-485 и RS422
1. Интерфейс RS-485
RS-485 (Recommended Standard 485), также EIA-485 (Electronic Industries Alliance-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня для асинхронного интерфейса связи.
Название стандарта: ANSI TIA/EIA-485-A:1998 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems.
Стандарт приобрел большую популярность и стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации.
Стандарт RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями:
Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronic Industries Association)
Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association)
Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом "RS "
Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил "RS " на "EIA/TIA " с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.
Стандарт определяет следующие линии для передачи сигнала:
A - неинвертирующая
B - инвертирующая
C - необязательная общая линия (ноль)
Несмотря на недвусмысленное определение, иногда возникает путаница, по поводу того какие обозначения ("A" или "B") следует использовать для инвертирующей и неинвертирующей линии. Для того, чтобы избежать этой путаницы часто используются альтернативные обозначения, например: "+" / "-"
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов.
В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.
Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал.
RS-485 - полудуплексный интерфейс . Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.
Несмотря на то, что интерфейс RS-485 двухпроводной, существует его четырех проводная реализация.
При этом интерфейс не становится полнодуплексным , он также является полудуплексным.
Четырехпроводная версия выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных.
Передатчик задающего узла всегда активен - переход в третье состояние ему не нужен.
Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединяются на общей шине с приемником ведущего узла. В двухпроводной версии все узлы равноправны.
Сеть построенная на базе RS-485 поддерживает по стандарту до 32 устройств "единичной нагрузки"
На рынке широко представлены устройства с другими значениями "нагрузки" - 1/2(т.е. уже 64 устройства), 1/4 (128 устройств) от единичной нагрузки.
При построении таких линий, возникает достаточно много сложностей, поэтому необходимо обладать должными знаниями для их проектирования.
2. Интерфейс RS-422
Последовательный дифференциальный интерфейс RS-422 (Recommended Standard 422) по своим особенностям очень походит на другой интерфейс передачи данных в сети - RS-485.
Они могут электрически совмещаться между собой, но всё же есть ряд существенных отличий.
RS-422 является полностью дуплексным интерфейсом (full duplex), поэтому передача данных может одновременно осуществлять в обоих направлениях. Например, подтверждение приёма пакетов данных происходит одновременно с приёмом последующих пакетов.
Дуплексность обеспечивается за счёт того, что используется одновременно два приёмопередатчика, один из которых работает на приём, другой - на передачу.
В то время как RS-485 применяется для организации сети со множеством абонентов, RS-422 используется обычно для налаживания передачи данных между двумя устройствами на длинных дистанциях.
Это обуславливается тем, что RS-422 поддерживает создание только одномастерных сетей, в которых в качестве передатчика может выступать только одно устройство, а остальные способны лишь принимать сигнал.
Максимальная дальность действия интерфейса RS-422 точно такая же, как и у RS-485, и составляет 1200 метров.
Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии.
Каждый передатчик RS -422 может быть нагружен на 10 приемников.
2.1. Подключение интерфейса счетчика Альфа A1800 с полнодуплексным интерфейсом к модему RX.
Данные счетчики подключаются к модему RX по 4-х проводному интерфейсу RS422. Но не смотря на то, что в документации на этот счетчик, интерфейс называется 4-х проводной RS485, на самом деле это RS422.
Полнодуплексным типом интерфейса комплектовались счетчики до 2008 года. На данный момент практически все данные счетчики полудуплексные, но для точности лучше уточнить у поставщика или производителя.
3. Особенности
Несмотря на схожесть интерфейсов RS-485 и RS-422 они не совместимы друг с другом.
Нельзя к прибору с одним типом интерфейса подключать устройства или приборы с другим типом интерфейса.
Роберт Джи (Robert Gee), перевод и дополнения Владимир Рентюк
Оба интерфейсных протокола - RS 485 (стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса) и CAN (Controller Area Network - стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков) - существуют еще с середины 1980 х годов, когда они были впервые представлены в качестве стандартов для организации каналов связи. Долгое время эти интерфейсы развивались сами по себе, не касаясь друг друга. Но прошло время, и ситуация начала меняться. Почему? Разобраться в этом нам поможет небольшая дискуссия, проведенная в рамках статьи.
В отличие от предыдущих стандартов физического уровня, в частности RS‑423, RS‑422 и RS‑232, появление RS‑485 стало поистине эволюционным этапом. Системы связи с поддержкой данного стандарта представляют собой многоточечную систему и имеют до 32 узлов в одиночной системе (с репитерами до 256).
Примерно в то же время, когда создавались упомянутые выше интерфейсы, используемые в таких приложениях, как компьютерные клавиатуры и мыши, принтеры и оборудование для промышленной автоматизации, интерфейс CANbus проектировался как автомобильная коммуникационная платформа, предложенная Робертом Бошем (Robert Bosch), владельцем компании Robert Bosch GmbH, для снижения стоимости производства авто. Эта шина стала альтернативой традиционным толстым многожильным автомобильным кабелям и упростила их прокладку благодаря применению многоузловых шин. Впервые представленный в модели BMW‑850 в 1986 году, автомобильный CAN-интерфейс сэкономил в ней более 2 км различных проводов! Кроме того, было значительно сокращено количество разъемов, а оценочная экономия веса машины составила 50 кг . Так сложилось, что RS‑485 был предназначен для нужд промышленного рынка, а CAN - для автомобильного и транспортного сегмента, но постепенно он нашел место и в приложениях, скажем так, вне своей юрисдикции, то есть в автомобильной и аэрокосмической отраслях.
Благодаря своей высокой устойчивости при эксплуатации в непростых условиях, характерных для автомобильных приложений, возможностям защиты от сбоев и уникальной обработке сообщений CANbus теперь используется там, где прежде никогда не был распространен. Нынешние рыночные тенденции демонстрируют все более широкое внедрение CANbus, порой заменяющего RS‑485 в традиционных индустриальных программах.
Согласно рыночным отчетам, применение CANbus увеличивается в разы, что является исключительным фактом для рынка интерфейсов. И хотя отчеты не разделяют промышленные и автомобильные рынки, многие согласны с тем, что промышленные рынки составляют около 20–30% от общего объема выпускаемой продукции. Рост использования интерфейсов в автомобильной промышленности можно объяснить распространением электроники, установленной сегодня в автомобилях. Современные автомобили имеют сложные микропроцессорные системы, необходимые для таких функций, как резервные камеры, автоматическая парковка, информационно-развлекательные системы, распознавание слепых зон и многое другое. Появление данных подсистем связано с увеличением числа датчиков и микроконтроллеров в авто, требующихся для обработки информации от всех сложных систем, действующих внутри машины. Еще в 1990‑х годах многие автопроизводители начали переход от ручного переключения передач к автоматическим, а позже и к коробкам передач с электронным управлением, основанным на поступающих на микроконтроллер данных о скорости, положении дроссельной заслонки и информации от барометрических датчиков. Сегодня на одном транспортном средстве можно насчитать свыше 100 датчиков и микроконтроллеров, многие из которых общаются по шине CAN. Даже полностью электрический автомобиль Tesla S имеет внутри 65 микроконтроллеров .
На индустриальном рынке также наблюдается рост внедрения интерфейса CAN. Промышленные CAN-приложения имеют достаточно широкий охват и устанавливаются в самых разнообразных приложениях - от коммерческих беспилотных летательных аппаратов (дронов) до элементов управления лифтом и даже газонокосилками коммерческого назначения. Поставщики микросхем признают этот факт и разрабатывают продукты для удовлетворения все возрастающей потребности в CAN вне традиционного рынка автомобильной промышленности. Другой фактор, способствующий увеличению применения CAN в индустриальной сфере, - это переход многих инженеров‑автомобилестроителей в промышленный сегмент, где они, естественно, применили свой опыт работы с шиной CAN и ее уникальные преимущества. Еще одна причина внедрения интерфейса CAN на промышленном рынке связана с присущей ему отказоустойчивостью и способностью эффективно обрабатывать кадры сообщений на многоузловой шине.
Для того чтобы объяснить преимущества CAN по отношению к RS‑485, лучше всего оценить сходства и различия между двумя стандартами - ISO 11898-2-2016 и TIA/EIA‑485 (сейчас действует ANSI TIA/EIA‑485‑A) соответственно. Оба стандарта определяют уровни приемопередатчиков, которые представлены на диаграмме (рис. 1) для стороны передачи.
Оба протокола имеют дифференциальный выходной сигнал. Выход RS‑485 представляет собой классический дифференциальный сигнал, в котором один сигнал является инвертированным, или зеркальным отражением другого. Выход A - неинвертирующая линия, а выход B - инвертирующая линия. Дифференциальный диапазон +1,5…+5 В равен логической 1 или значению, а пределы –1,5…–5 В - логическому 0 или пробелу. Сигнал с уровнем, лежащим в диапазоне –1,5…+1,5 В, считается как неопределенный. Важно отметить, что когда RS‑485 не используется, то его выход пребывает в состоянии высокого импеданса.
У шины CAN выходной дифференциальный сигнал несколько иной. Так, здесь предусмотрено два выхода в виде CANH- и CANL-линий данных, которые являются отражением друг друга (рис. 1) и представляют собой инвертированную логику. В доминирующем состоянии (бит нуля, используемый для указания приоритета сообщения) CANH-CANL определяются как 0, когда напряжение на них составляет +1,5…+3 В. В рецессивном состоянии (1 бит и состоянии незанятой шины) сигнал драйвера определяется как логическая 1, когда дифференциальное напряжение находится в диапазоне –120…+12 мВ или в приближении к нулю.
Рис. 1. Сравнение допустимых уровней выходных дифференциальных сигналов драйверов RS 485 и CAN
Для стороны приемника стандарт RS‑485 определяет входной дифференциальный сигнал, когда он находится в пределах ±200 мВ…+5 В. Для CAN входной дифференциальный сигнал составляет +900 мВ…+3 В, а рецессивный режим находится в диапазоне –120…+500 мВ. Когда шина пребывает в режиме ожидания или когда не загружена и трансивер находится в рецессивном состоянии, напряжения на линиях CANH и CANL должны быть в рамках 2–3 В.
Как RS‑485, так и CAN имеют необходимый технологический запас по уровням распознавания для работы в приложениях, в которых сигнал может быть ослаблен из-за характеристик и качества используемого кабеля (экранированного или неэкранированного) и длины кабелей, что может сказаться на емкости подключения системы. Для сравнения допустимых уровней входных дифференциальных сигналов со стороны приемника RS‑485 и CAN следует обратиться к рис. 2.
Рис. 2. Сравнение допустимых уровней входных дифференциальных сигналов для RS 485 и CAN со стороны приемника
Кроме того, оба стандарта имеют нагрузочные согласующие резисторы с одинаковым значением 120 Ом, устанавливаемые на концах линии. Эти резисторы необходимы, чтобы обеспечить согласование линии связи по волновому сопротивлению линии передачи и тем самым избежать отражения сигнала. Другие технические характеристики, такие как скорость передачи данных и количество допустимых узлов, носят информационный характер, а не являются строгими требованиями, подлежащими обязательному выполнению. Для удовлетворения нужд рынка большинство выпускаемых RS‑485- и CAN-трансиверов превышает стандартную скорость передачи данных и допустимое количество узлов. Например, интегральный полудуплексный трансивер RS‑485 индустриального класса из микросхемы MAX22500E от компании Maxim достиг скорости в 100 Мбит/с. А новый стандарт CAN-FD, ISO 11898-2:2016, хотя и определяет временные характеристики для скоростей 2 и 5 Мбит/с, но не ограничивает скорость передачи данных значением 5 Мбит/с. CAN-трансиверы превысят требования своего стандарта так же, как и приемопередатчики RS‑485. Что касается устойчивости к синфазному сигналу, параметр CMR (Common-Mode Range, диапазон синфазных напряжений) для RS‑485 составляет –7…+12 В и для CAN –2…+7 В.
Однако многим приложениям требуется более высокая производительность в части CMR, что относится к обоим типам рассматриваемых интерфейсов. Это связано с тем, что они в основном используются для многоузловых шин, а их узлы могут иметь источники питания с разными силовыми трансформаторами или кабели находиться в непосредственной близости к оборудованию с достаточно мощными переменными электромагнитными полями, способными повлиять на заземление между узлами системы. Таким образом, учитывая множество самых различных приложений, работающих в жестких условиях индустриальной среды, часто требуется более высокая устойчивость CMR, выходящая за пределы стандартных уровней –7…+12 В.
Для решения этой проблемы существуют приемопередатчики RS‑485 и CAN нового поколения, которые имеют значительно более широкий диапазон устойчивости к воздействию синфазной помехи, а именно до ±25 В. На диаграмме, приведенной на рис. 3, представлен флуктуирующий диапазон синфазного сигнала для приемопередатчика RS‑485. Несмотря на то, что сигнал синфазного напряжения растет вверх и вниз, пока уровень синфазного напряжения (VCM) находится в пределах допустимого диапазона, он не влияет на дифференциальный сигнал шины и приемник способен принимать и распознавать сигнал на линии без ошибок. Диаграмма на рис. 3 показывает допустимый диапазон изменения синфазного сигнала для RS‑485.
Рис. 3. Пояснение параметра CMR на примере трансивера RS 485
Еще одна особенность, присущая как приемопередатчикам CAN, так и RS‑485, - защита от сбоев. Устройства с защитой от ошибок имеют внутреннюю цепь защиты от воздействия повышенного напряжения на выходы драйвера входа приемника. Это необходимо, чтобы уберечь устройства от случайных коротких замыканий между локальным источником питания и линиями передачи. В данном направлении микросхемы компании Maxim занимают лидирующее положение в отрасли. Они, как, например, широко используемая и в настоящее время MAX13041, гарантируют уровни защиты от сбоев до ±80 В и даже с некоторым дополнительным запасом до полного пробоя и выхода цепи защиты из строя . Причем важно то, что этот уровень защиты гарантируется независимо от того, подано питание на трансивер или он обесточен.
Среди основных причин того, почему в индустриальных приложениях предпочтение отдается CAN-, а не RS‑485‑трансиверам, следует назвать и способ обработки сообщений на шине. В мультиузловой системе, используемой для общения с микропроцессором RS‑485, могут быть случаи, когда несколько сообщений отправляются одновременно. Что иногда приводит к коллизиям, иначе известным как конкуренция. Если подобное происходит, состояние шины может оказаться неверным или неопределенным, что вызовет ошибки данных. Кроме того, такая конкуренция может повредить или ухудшить параметры производительности, когда несколько трансиверов RS‑485 на шине находятся в одном, а один приемопередатчик - в противоположном состоянии. Тогда от одиночного передатчика RS‑485 может потребоваться довольно значительный ток, который, вероятно, вызовет отключение микросхемы из-за превышения максимально допустимой температуры или даже приведет к необратимому повреждению системы. Здесь CANbus по сравнению с протоколом RS‑485 имеет большое преимущество. С помощью CANbus удается разрешить проблему передачи нескольких сообщений на линии путем ранжирования каждого из них.
Рис. 4. Формат кадра передачи данных CAN
Перед тем как приступить к работе по проектированию системы, инженеры назначают разные уровни задач. Ранее упоминалось, что CAN имеет доминантное и рецессивное состояние. Во время передачи сообщение с более высоким назначенным доминантным состоянием «выигрывает» конкуренцию и будет продолжать передачу, в то время как другие узлы с более низким приоритетом будут видеть доминирующий бит и прекратят передавать данные. Этот метод называется арбитражем, где сообщения приоритетны и принимаются в порядке их статуса. Узел, который проигрывает в результате более низкого назначенного приоритета, повторно отправит свое сообщение, когда его уровень окажется доминирующим. Это продолжается для всех узлов, пока они не выполнят передачу. На рис. 4 более подробно рассмотрен формат кадра данных сообщения в протоколе CAN. Эта временная диаграмма и таблица 1 наглядно демонстрируют, где и как происходит арбитраж.
|
Наименование поля |
Длина в битах |
Описание |
|
SOF (Start of frame) |
Начало кадра |
|
|
Identifier, выделено зеленым |
Предоставляет приоритет сообщения (11 или 29 бит |
|
|
RTR (Remote transmission request), выделено голубым |
Удаленный запрос передачи |
|
|
IDE (Identifier extension bit) |
Битидентификатор служит для идентификации расширенного формата |
|
|
Зарезервированный бит для будущего расширения протокола |
||
|
DLC (Data Length Code), выделено желтым |
Код длины данных (4 бит для стандартной CAN, 8 или 9 бит для CANFD) |
|
|
Data Field, выделено красным |
0–64 (0–8 байт); |
Поле данных, передаваемые данные |
|
CRC (Cyclic redundancy check) |
Контрольная сумма, используется для обнаружения ошибок |
|
|
Бит - разграничитель CRC |
||
|
ACK (Acknowledgement) slot |
Область подтверждения. Доминантный бит при сообщении об ошибке; рецессивный бит при отказе от сообщения об ошибке |
|
|
Битразграничитель подтверждения |
||
|
EOF (End of frame) |
Конец кадра |
Арбитраж разрешается во время передачи идентификатора, пример данной ситуации показан в таблице 2. Вне зависимости от топологии сети, даже с новым стандартом CAN-FD, фаза арбитража ограничена скоростью передачи 1 Мбит/с. Но фаза поля данных ограничена только характеристиками приемопередатчика, то есть она может проходить намного быстрее.
|
Биты идентификатора (Поле арбитража) |
||||||||||||
|
Стартовый бит |
||||||||||||
|
Узел 1 |
||||||||||||
|
Узел 3 |
Остановка передачи |
|||||||||||
Помимо арбитража, уровень канала передачи данных (уровень 2 модели OSI) также способствует повышению надежности всей системы CAN в целом. На этом уровне сообщение кадра неоднократно проверяется на предмет точности и наличия ошибок. Если сообщение получено с ошибками, отправляется кадр ошибки. Он содержит флаг ошибки (Error Flag), который состоит из 6 бит одинакового значения (таким образом нарушая правило вставки битов) и разграничителя ошибки (Error Delimiter), состоящего из 8 рецессивных бит.
Разграничитель ошибки предоставляет определенное пространство, где другие узлы шины могут отправлять свои флаги ошибки после того, как сами обнаружат первый флаг ошибки. С точки зрения уровня сообщений циклическая проверка избыточности (CRC) защищает информацию в кадре добавлением избыточных контрольных битов в конце передачи, которые затем проверяются на принимающей стороне. Если они не совпадают, возникает ошибка CRC. Затем следует контроль фрейма (кадра), который определяет правильность структуры, проверяя битовые поля на фиксированный формат и размер кадра бит-разделителя SOF, EOF, ACK и CRC.
С точки зрения битового уровня существует три проверки на наличие ошибок: подтверждение, контроль бит и набивка бит. Ошибки подтверждения обнаруживаются, когда передатчик не считывает доминантный бит ACK (0). Это указывает на ошибку передачи, обнаруженную получателями, что означает, что ACK был поврежден или не было приемников. Бит-мониторинг проверяет уровень шины для каждого узла для отправленных и принятых бит. Битовая подстановка - метод, который «наполняет» или вставляет дополнительный противоположный бит, когда пять из тех же самых бит встречаются последовательно. Противоположный бит помогает различать кадры ошибок и биты EOF. На принимающей стороне дополнительный бит удаляется. Если шестой бит такой же, как и предыдущие пять, тогда ошибка обнаруживается всеми CAN-узлами и отправляются кадры ошибок. В этом случае оригинальное сообщение необходимо передать повторно, пройдя, естественно, через арбитраж, если на линии есть конфликт.
Подводя итог дискуссии, можно сделать краткий вывод: если рассматривать системы «точка-точка», требующие высокой скорости обмена данными, то здесь, благодаря более высокой скорости и простому кадру, несомненно в выигрыше оказывается интерфейс RS‑485. Но в мультиузловых системах с возможными коллизиями и на скоростях не выше 1 Мбит/с явное преимущество остается за CAN, особенно при организации связи в системе оборудования, работающего в жестких условиях индустриальной среды, в широком диапазоне рабочих температур (для упомянутого ранее MAX13041 –40…+125 °С) и при высоком уровне внешних воздействий, не говоря уже о его «родном поле деятельности» - автомобильной и транспортной сферах.
Как известно, многие системы либо подвергаются воздействию электромагнитных помех, либо страдают от ошибок обслуживающего персонала, который может по невнимательности подать питающее напряжение на линии связи. В этом отношении трансиверы CAN отличаются высокой надежностью, устойчивостью к воздействию значительных разрядов статического электричества и хорошим уровнем защиты от сбоев. Относительный недостаток CAN, а именно то, что передачу слушают все приемники на линии, легко устранить, используя имеющийся в составе кадра передачи идентификатор, да и большой беды в этом, как правило, нет.
Благодаря таким возможностям CAN, как арбитраж, проверка сообщений об ошибках, улучшенная пропускная способность и большее поле данных, легко понять привлекательность CANbus по сравнению с RS‑485 на рынке промышленного оборудования средств автоматизации. CAN-системы могут уделять первоочередное внимание важности сообщений кадров и надлежащим образом обрабатывать критические. Все это позволяет использовать трансиверы CAN, в том числе и от компании Maxim, в аппаратуре самого широкого назначения, а для различных областей применения данная компания также предлагает высокоэффективные интерфейсы с гальванической развязкой .