Интерфейс RS-485 c гальванической развязкой

Роботы, комплексы по транспортировке материалов и деталей, системы управления производством, сборочные и упаковочные машины оснащаются множеством датчиков и исполнительных механизмов. Для связи между локальными системами управления и промышленными компьютерами используют промышленную сеть – набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных производителей и обеспечить взаимодействие всех уровней системы управления.

В роли промышленного компьютера может выступать программируемый логический контроллер или персональный компьютер, предназначенный для специальных условий работы. Сегодня, когда микроконтроллеры и другие специализированные микросхемы стали достаточно дешёвыми, целесообразно выделять в отдельные системы управления локальные задачи, решение которых осуществляют модули на основе микроконтроллеров.

Сеть или промышленная шина позволяют компьютерам использовать данные модули, обеспечивая связность системы управления. Такая архитектура существенно увеличивает производительность, надёжность и масштабируемость систем. Порядок ко

дирования и передачи информации описывает протокол обмена. Для передачи информации требуется физическая среда, в частности, кабельная линия. Передача по кабельной линии, по сравнению с радиоканалом, уменьшает возможность нежелательного съёма информации; при использовании в спецтехнике не нарушается работа системы изза постановки радиопомех.

Наиболее распространённым типом сетевой топологии является общая шина, основное преимущество которой заключается в простоте и лёгкости переконфигурирования. Общая шина не боится отключения или подключения устройств во время работы и хорошо подходит для объектов, разнесённых на большие расстояния.

Рекомендации стандарта RS-485

Физическую реализацию канала связи описывает стандарт интерфейса. Одним из стандартов передачи информации по кабельной линии является RS485, разработанный совместно ассоциацией электронной промышленности (EIA, Electronics Industries

Association) и ассоциацией промышленности средств связи (TIA, Telecommunications Industry Association). Аббревиатура «RS» означает рекомендованный стандарт (recommended standard).

Конфигурация сети точка–точка, например датчик – промышленный компьютер, является простейшей линией связи. Стандарт RS485 поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с числом узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 метров. Использование повторителей позволяет увеличить расстояние передачи ещё на 1200 м или добавить 32 узла. Стандарт RS485 допускает более одного приёмника и передатчика на одной линии и поддерживает полудуплексную связь, позволяющую двум устройствам поочерёдно работать приёмником или передатчиком.

Сеть, построенная на основе RS485, представляет собой устройства, соединённые при помощи витой пары проводов и сигнальной земли. В основе интерфейса RS485 лежит принцип балансной (дифференциальной) передачи данных. Другими словами, когда один провод передаёт высокий уровень, другой провод будет передавать низкий уровень, и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» – отрицательна (см. рис. 1).

Хотя сигнальная земля обязательна для правильной работы интерфейсов приёмника и передатчика, она не используется для определения логического состояния линии. Сигнал передаётся разностью потенциалов между проводами А и В. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к помехе, действующей на оба провода линии одинаково (синфазно).

Если сигнал передаётся потенциалом в одном проводе относительно общего, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно общего провода. Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель, чего не происходит при балансной передаче.

Электрическая схема

интерфейса

Для оснащения электронного устройства интерфейсом RS485 применяются специализированные микросхемы, обеспечивающие электрическое согласование линии связи промышленной сети и схемы обработки данных. Микросхемы электрического согласования не принимают участия в обработке информации, и для них не важен тип протокола обмена данными.

Задача специализированной микросхемы интерфейса RS485 – преобразование балансного сигнала в

однофазный сигнал, например, соответствующий требованиям последовательного асинхронного интерфейса USART. Для предотвращения проникновения помех, наводимых внешними источниками на линию связи, в устройство, оснащённое интерфейсом RS485, применяется электрическая изоляция линии связи от всех других цепей. Цепи, электрически изолированные от корпуса прибора, питания и других цепей, называют гальванически развязанными. Основой схемы интерфейса с гальванической развязкой является ИС MAX1480 (см. рис. 2), содержащая элементы, исключающие электрическую связь между линией связи и схемой обработки информации и, в то же время, обеспечивающие надёжную передачу информации. Для решения этой задачи применяются трансформаторы и оптроны. Микросхема, обеспечивающая гальваническую развязку, изготавливается по гибридной технологии и включает компоненты обоих типов.

Внутри микросхема разделена на две изолированные части. Одна часть подключена к линии связи, другая – к выводам и питанию микроконтроллера электронного модуля. Для питания цепей, работающих с линией связи, ИС MAX1480 содержит импульсный преобразователь напряжения, использующий питание схемы электронного модуля. Прямой балансный входвыход А и инверсный балансный входвыход В соединены с соответствующими выводами микросхемы DD1. Сигнальная земля линии связи соединена с общим проводом питания цепей, работающих с линией связи через резистор R1, необходимый для защиты микросхемы DD1 от повреждения.

Электрическая схема интерфейса RS485 представлена на рисунке 3.

Режим работы фотоприёмника оптрона, формирующего сигнал, передаваемый в линию, установлен сопротивлением резистора R4. Стабилитрон VD2 задаёт оптимальный режим оптрона, включающего передатчик. Через резистор R5 поступает сигнал управления светодиодом оптрона цифрового входа приёмника сигнала, поступающего из линии связи. С выхода приёмника RO (receiver output) DD1 поступает сигнал, принятый от линии связи в инвертированном виде. Выходной транзистор оптрона приёмника микросхемы DD1 соединяет резистор R6 и затвор транзистора VT1 c общим проводом питания схемы. Для преобразования инвертированного сигнала в однофазный в схему включены транзистор VT1 и резистор R7. Вход передатчика DI (driver input) микросхемы DD1 через резистор R9 соединён с выходом TXD микроконтроллера DD2. Резистор R9 устанавливает режим светодиода оптрона передатчика. Резистор R8, соединённый с входом DE (driver enable) микросхемы DD1, устанавливает режим светодиода оптрона, разрешающего работу передатчика.

Во время приёма следует отключать передатчик, а во время передачи – приёмник. При уровне «0» на входе DE происходит работа на приём, при уров

не «1» – на передачу. Питание схемы осуществляет преобразователь напряжения DA1, гальванически развязывающий питание 24 В от питания микросхемы интерфейса и микроконтроллера. В таблице представлен перечень элементов интерфейса.

Благодаря применению компонентов питания и интерфейса, содержащих гальваническую развязку, схема полностью изолирована от внешних цепей. При напряжении на линии связи в диапазоне ±200 мВ, выходное состояние не определено. Если ни одно из устройств сети не ведёт линию или соединение разорвано, то присутствие лог.1 или лог. 0 на выходе является равновероятным. Для обеспечения определённого состояния, на выходе приёмника RO требуется установка резисторов защитного смещения: R3 задаёт высокий начальный уровень проводу A, а R2 задает низкий уровень проводу B.

В результате длительной эксплуатации микросхем MAX1480 выяснилось, что необходимо применять в схеме интерфейса стабилитрон вместо рекомендованного в документации MAX1480 резистора. Различные экземпляры микросхем MAX1480, выпущенные одним и тем же производителем, требовали подбора сопротивления резистора, а некоторые экземпляры микросхем не работали. Применение в схеме стабилитрона позволило исключить настройку, использовать 100% микросхем MAX1480 и обеспечить передачу информации в полном объёме.

Чтобы помочь разработчику сети на основе интерфейса RS485 выяснить, какое количество устройств могут быть объединены в сеть, в стандарте RS485 принята гипотетическая единица, называемая «единичной нагрузкой». Входное сопротивление приёмника на основе микросхемы MAX1480 со стороны линии, согласно данным производителя, составляет 48 кОм (1/4 единичной нагрузки – 12 кОм). Одновременно следует учитывать влияние резисторов защитного смещения R2 и R3, увеличивающих нагрузку передатчика.

Линия связи

Линия связи прокладывается отдельным кабелем, не входящим в жгут соединений, несущих другие сигналы или питание приборов. Подключение выполняется через отдельный разъём, предназначенный только для сигналов интерфейса. Правильный выбор кабеля линии связи и продуманное разъёмное соединение – непременные условия надёжной работы промышленной сети и снижения излучаемых электромагнитных помех.

Жгут, состоящий из трёх проводов: витой пары А и В и сигнальной земли, прокладывается между ответной частью разъёма XР1, установленного на плате контроллера, и разъёмом, установленным на корпусе прибора для подключения кабеля линии связи. Кабель связи содержит витую пару и провод сигнальной земли, заключённые в экран. Корпус прибора соединяется с экраном. Разъём подключения кабеля линии связи должен обеспечивать круговой непрерывный электрический контакт между экраном кабеля и корпусом прибора. Сигнальная земля и корпус прибора изолированы друг от друга.

Корпуса приборов, объединяемые в промышленную сеть, соединяются с заземлением. Кабель, имеющий экран из оплётки, обеспечивает более высокую защиту от электромагнитных помех по сравнению с экраном, выполненным из фольги, которая разрушается при деформации кабеля. Одностороннее соединение экрана защищает от помех, создаваемых низкочастотными токами. Двухстороннее подсоединение экрана защищает от наиболее сильных высокочастотных помех. Выбор соединения экрана кабеля (с одной стороны или с двух) зависит от скорости передачи информации и наличия источников внешних помех: мощных передатчиков, энергетических цепей, электродвигателей и т.п. В отличие от односторонних соединений, соединения экрана на обоих концах дают возможность протекать по экрану низкочастотным токам (изза наличия напряжения между двумя концами или контуром заземления). На расположенной внутри паре проводов этот ток наводит небольшое напряжение или помеху с частотой сети питания 50 Гц или 400 Гц.

Литература

1.            http://datasheets.maximintegrated.com/ en/ds/MAX1480AMAX1490B.pdf.