RS-485

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), или EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Полное название стандарта: ANSI TIA/EIA-485-A:1998 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

RS-485
Стандарт	EIA/TIA-485 (RS-485)
Физическая среда	Витая пара
Сетевая топология	Точка-точка, Multi-dropped, Multi-point
Максимальное количество устройств	32—256 устройств (32 нагруженных)
Максимальное расстояние	1200 метров
Режим передачи	Дифференциальный сигнал (балансный)
Максимальная скорость передачи	0,1—10 Мбит/с
Напряжение	-7 В до +12 В
(1, MARK)	(A-B) < −200 мВ (отрицательное напряжение)
(0, SPACE)	(A-B) > +200 мВ (положительное напряжение)
Сигналы	Tx+/Rx+, Tx-/Rx- (Полудуплексный) Tx+, Tx-, Rx+, Rx- (Дуплексный)
Тип разъема	Не специфицирован

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) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA — Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (англ. Recommended Standard — Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Технические характеристики интерфейса RS-485

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом^[1].

Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Напряжение между проводниками с одной полярностью означает логическую единицу, с другой полярностью — логический ноль.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временны́е характеристики интерфейса. Стандарт RS-485 не оговаривает:

• параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений, отражения в длинных линиях);
• типы соединителей и кабелей;
• гальваническую развязку линии связи;
• протокол обмена.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485

Скорость передачи данных в зависимости от длины линии для интерфейсов RS-232, RS-422, RS-423, RS-485

• Поддерживаются до 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.
• Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.
• В каждый момент времени активным может быть только один передатчик.
• Максимальное количество узлов в сети — 256 с учётом магистральных усилителей.
• Соотношения скорость обмена/длина линии связи^[2]:
  • 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),
  • 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),
  • 500 кбит/с,
  • 1000 кбит/с,
  • 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),
  • 10 000 кбит/с 10 м.

Тип приёмопередатчиков — дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений относительно общего провода (референтной «земли») на линиях A и B: Ua (Ub) от −7 В до −12 В (+7 В до +12 В).

Требования, предъявляемые к выходному каскаду:

• выходной каскад представляет собой источник напряжения с малым выходным сопротивлением, |Uвых|=1,5:5,0 В (не менее 1,5 В и не более 5,0 В);
• состояние логической «1»: Ua < Ub (с гистерезиссом 200 мВ) — MARK, OFF;
• состояние логического «0»: Ua > Ub (гистерезис 200 мВ) — SPACE, ON (производители микросхем — драйверов, часто выбирают намного меньшие значения, например, гистерезис от 10 мВ^[3][4]);
• выходной каскад передатчика должен выдерживать режим короткого замыкания, в режиме короткого замыкания отдавать максимальный выходной ток 250 мА, обеспечивать скорость нарастания выходного сигнала 1,2 В/мкс и схему ограничения выходной мощности.

Требования, предъявляемые к входному каскаду:

• входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от −200 мВ до +200 мВ;
• допустимый диапазон синфазных входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от −7 В до +12 В;
• входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и более);
• уровни состояния приёмника входного каскада — см. состояния передатчика выходного каскада.

Сигналы

Трёхпроводное соединение в RS-485. SC — референтная «земля» (GND).

Пример временно́й диаграммы передачи одного байта 0xD3 по интерфейсу RS-485 младшими битами вперёд. U+ и U- соответствуют линиям D+ и D-

Стандарт определяет следующие линии для передачи сигнала:

• A — не инвертирующая;
• B — инвертирующая;
• C — необязательная общая линия (ноль).

Согласно стандарту^[5]:

• V_A > V_B соответствует логическому «0» и называется «активным» (ON) состоянием шины;
• V_A < V_B соответствует логической «1» и называется «неактивным» (OFF) состоянием шины.

Таким образом, при описании состояний шины используется инверсная логика. При этом логика однополярных сигналов на входе передатчика и выходе приёмника стандартом не определяется.

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: «+»/«-» или «D+»/«D-» или «V+/V-»^[6].

Большинство производителей придерживается стандарта и использует обозначение «A» для неинвертирующей линии. То есть, высокий уровень сигнала на входе передатчика соответствует состоянию V_A > V_B на шине RS-485; также V_A > V_B соответствует высокому уровню сигнала на выходе приёмника^[5].

Необходимо обратить внимание, что «неактивное» состояние линии от «активного», в контексте, обозначенном в стандарте (соответственно передача логических 0 и 1), не отличаются электрически, кроме полярности — то есть, не являются эквивалентом «занятости» или «свободности» линии. Оба состояния активно передают в линию соответствующий символ. Для отключения передатчика в нём всегда имеется отдельный вход — при его отключении выходы переходят в высокоимпедансное состояние, допуская работу в этой линии других передатчиков. Таким образом, «активное» и «неактивное» состояния сами по себе не являются индикатором чего-либо, помимо передаваемого бита. Протокол передачи, использующий относительное кодирование, допускает инверсию передаваемых данных, а значит перемену проводов в паре местами без каких-либо последствий. При этом, однако, на практике гораздо чаще используется не абстрактный или создаваемый разработчиком протокол обмена, а отражение протокола RS-232 в его логической части на аппаратный уровень RS-485 — так как производятся промышленные преобразователи соответствующего типа, что позволяет не разрабатывать свой логический протокол. Здесь полярность подключения принципиальна в связи с тем, что RS-232 использует определённое толкование передаваемых символов и не допускает их инверсии.

Согласование и смещение

Типичная цепь смещения вместе и терминальные резисторы для сети RS-485. Падение напряжения на резисторе ${\displaystyle {\ce {Rc}}}$ обеспечивает смещение входа приёмника и вывод его из зоны неопределённости при неактивности всех передатчиков.

При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределённые индуктивность и ёмкость кабеля. Поэтому сигнал, переданный в линию одним из передатчиков, искажается по мере распространения в линии, возникают резонансные явления и отражения в линии. Поскольку практически кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые погонные ёмкость и индуктивность, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Упрощённо можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключена согласованная нагрузка (резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля), резонансные явления значительно ослабляются. Называется такой резистор терминатором. Для сетей RS-485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными). Волновое сопротивление наиболее распространенных витых пар типа CAT5 составляет 100 Ом^[7]. Другие витые пары могут иметь волновое сопротивление 150 Ом и выше. Плоские ленточные кабели до 300 Ом^[8][9].

Практически сопротивление этого резистора может выбираться и бо́льшим, чем волновое сопротивление кабеля, поскольку активное омическое сопротивление того же кабеля может оказаться слишком большим, что амплитуда сигнала на приёмной стороне будет слишком малой для устойчивого приёма. В этом случае выбирают компромисс между резонансными и амплитудными искажениями сигнала, уменьшая скорость интерфейса и увеличивая сопротивление терминального резистора^[10][11][12]. На скоростях 9600 бит/с и ниже для кабелей разумной длины резонансные явления, способные ухудшить качество связи, не проявляются, и согласование линии не требуется. Более того, при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) терминальный резистор даже не улучшает, а ухудшает надежность передачи (это существенно для длинных линий связи)^[13].

Ещё один источник искажения формы сигналов при высоких скоростях передачи через витую пару — разная скорость распространения высокочастотной и низкочастотной спектральных составляющих сигнала (высокочастотная составляющая распространяется по витой паре несколько быстрее), что приводит к искажению формы сигнала^[14].

Помехи в линии связи зависят не только от длины, номиналов терминальных резисторов и качества самой витой пары. Также важно, чтобы линия связи последовательно проходила через все приёмопередатчики (это называют топологией общей шины). Витая пара общей шины не должна иметь от неё длинных отводов — отрезков кабеля для соединения с очередным приёмопередатчиком, кроме соединений с повторителями интерфейса или при низких скоростях передачи, менее 9600 бит/с.

При нективности всех передатчиков на шине уровень сигнала в линии не определён. Для предотвращения ситуации, когда разница между входами A и B меньше 200 мВ (неопределённое состояние), иногда применяется дополнительное смещение с помощью резисторов или с помощью специальной схемы. Когда состояние линий не определено, то приёмники могут принимать помехи. В некоторых протоколах предусмотрена передача служебных последовательностей для стабилизации приёмников и обеспечения уверенного начала приёма.

Пример сети RS-485. Показано несколько приёмопередатчиков и нерекомендуемое длинное ответвление.

Сетевые протоколы, использующие RS-485

• LanDrive
• ProfiBus DP
• Modbus
• DMX512
• HDLC
• IEC 60870-5
• OSDP

Промышленные сети, построенные на основе RS-485

• LanDrive
• ProfiBus DP
• Modbus

См. также

• DMX-512
• RS-232
• Драйвер (электроника)