Удобная, надежная передача данных с RS-422 и RS-485

В данной статье представлено введение в интерфейсы RS-422 и RS-485 и объясняется, почему вы можете захотеть использовать их в своих проектах.

Связанная информация

• Зачем и как использовать дифференциальную передачу сигналов
• Технология двойной буферизации UART, дружественная к прерываниям

Большинство из нас знакомы с RS-232 – надежным, но неудобным стандартом, который навсегда связан с нашими воспоминаниями обо всё более устаревающем последовательном порте на компьютере. Вы можете быть менее знакомы с RS-422 и RS-485, которые действительно (как следует из названия) связаны с RS-232.

Однако не делайте ошибку, полагая, что эти более новые стандарты разделяют с ним характеристики, которые делают RS-232 настолько несовместимым с современными электронными системами. RS-422 и RS-485 являются основными улучшениями в теме RS-232; и тот, и другой может быть хорошим выбором для вашего следующего канала цифровой связи.

Во-первых, RS-422 или RS-485

Эти два стандарта обычно группируются вместе потому, что у них очень много общего. Но они, конечно, не идентичны, а устройства RS-422 и RS-485 не являются полностью взаимозаменяемыми. Во-первых, я расскажу о значительных различиях между этими двумя стандартами. Затем, в остальной части статьи, мы сможем сделать упрощение, ссылаясь к ним как «RS-422/485».

Оба стандарта (и RS-422, и RS-485) позволяют использовать несколько устройств на шине (т.е. вы не ограничены одним передатчиком и одним приемником). Однако RS-422 может использоваться только для многоабонентской шины, т.е. дифференциальная пара может иметь несколько приемников, но только один передатчик.

Максимальное количество приемников на двухпроводной шине RS-422 равно 10 (ну, вроде... смотрите ниже обсуждение «единичных нагрузок»).

С другой стороны, с RS-485 вы можете иметь реальную многоточечную систему, где «точка» вместо «абонента» означает, что одна дифференциальная пара может поддерживать несколько передатчиков, а также несколько приемников.

RS-485 также увеличивает емкость шины до 32 устройств.

(На самом деле, это не так просто – стандарт указывает максимум 32 «единичные нагрузки», но вы можете подключить гораздо больше 32 устройств, используя микросхемы RS-485, которые представляют собой на шине лишь малую долю единичной нагрузки. Это немного сложно, и честно говоря, это тот момент, когда я начинаю терять интерес... Но если вы более упорны, чем я, то можете прочитать подробности здесь.)

Полностью укомплектованная шина RS-485 представляет собой высокопроизводительный интерфейс. В дополнение к преимуществам, рассмотренным далее в этой статье, вы можете иметь множество приемопередатчиков, которые используют одни и те же два провода, а любое устройство на шине может отправлять данные на любое другое устройство на шине.

Другим важным моментом является то, что RS-485 является важным расширением RS-422. Другими словами, RS-485 добавляет и улучшает функциональность, но не конфликтует ни с чем в стандарте RS-422. Таким образом, устройство RS-485 может использоваться в сети RS-422, но устройства RS-422 не обязательно совместимы с существующей сетью RS-485.

Основы

RS-422/485 представляет собой четырех- или двухпроводный, полнодуплексный или полудуплексный, дифференциальный, среднескоростной последовательный интерфейс, который поддерживает многоабонентскую (RS-422) или многоточечную (RS-485) архитектуру шины. Вот некоторые комментарии к этим характеристикам:

• Вы не можете передавать и получать одновременно по одной и той же дифференциальной паре, поэтому двухпроводная версия ограничена полудуплексом. Полнодуплексная работа возможна, когда шина включает в себя две дифференциальные пары.
• Хотя базовый приемопередатчик RS-422/485 не ограничивает вас конкретным форматом последовательных данных, очевидным выбором здесь является UART (универсальный асинхронный приемник/передатчик), потому что в основном мы работаем с одной дифференциальной парой между передатчиком и приемником – у нас нет дополнительных линий для сигнала выбора ведомого (как в SPI) или для тактового сигнала (как в I2C).
• Информация передается через симметричные дифференциальные сигналы. Таким образом, RS-422/485 обеспечивает все преимущества, связанные с повышенной помехоустойчивостью, уменьшенной генерацией ЭМП (электромагнитных помех), более низким энергопотреблением, более высокой скоростью. Здесь вы можете подробнее о дифференциальной передаче сигналов.

  

• Возможно, «средняя скорость» – это слишком щедрое заявление в эту эпоху USB соединений 5 гигабит/секунду. Но на самом деле, вы не можете указать одну максимальную скорость передачи данных для RS-422/485, потому что на ограничение скорости, при котором связь становится ненадежной, влияют параметры системы.
  • Основной фактор здесь – это длина кабеля; в этом примечании к применению от Texas Instruments говорится, что скорость передачи данных, умноженная на длину кабеля в метрах, должна быть не более 108. Таким образом, согласно этому правилу, шина с очень коротким кабелем может обрабатывать скорость 100 Мбит/с; но это примечание к применению от Maxim указывает, что обоснованный верхний предел составляет примерно 50 Мбит/с. Но опять же, Intersil и Linear Technology продают приемопередатчики RS-422/485, рекламируемые со скоростью 100 Мбит/с, поэтому справедливо предположить, что эта скорость передачи данных возможна, если у вас есть и правильные микросхемы, и благоприятные условия шины.

Мне это нравится

Характеристики RS-422/485 – большие длины кабелей, устойчивость к шуму и т.д. – делают его отличным выбором для промышленного применения. Однако часть моей задачи в данной статье – продемонстрировать, что RS-422/485 является хорошим выбором для многих электронных и электромеханических систем, даже если вам не нужны все функциональные возможности, которые он предлагает. Мой благосклонный взгляд на RS-422/485 основан, прежде всего, на трех соображениях: простота проектирования, отличная поддержка в технических описаниях микросхем и в примечаниях к применению, устойчивость к шуму.

Будь проще

Несмотря на многолетний опыт работы с различными протоколами последовательной связи, UART по-прежнему остается моим любимым. Он прост и надежен, он требует минимальных взаимосвязей, и я не удивлюсь, если обнаружу, что он поддерживается каждым микроконтроллером на рынке. Он может быть немного примитивен, но вы всегда можете написать прошивку для реализации любого управления потоком данным, идентификации устройства или проверки ошибок в вашем конкретном приложении.

В любом случае, я хочу сказать, что мне нравится использовать UART каждый раз, когда я могу, и RS-422/485 – отличный физический уровень для связи UART.

Поддержка со стороны экспертов

RS-422/485 включить в ваш проект просто: практически всё, что вам нужно, это микросхема конвертера/приемопередатчика, а их выбор велик. Эти устройства преобразуют типовые логические сигналы в дифференциальные сигналы RS-422/485, а также обрабатывают остальные докучливые детали, необходимые для обеспечения соответствия стандарту RS-422/485. И если вы не уверены в том, как точно спроектировать вашу конкретную шину связи, вы найдете множество рекомендаций в примечаниях к применению и в технических описаниях.

Шум

Проблемы с шумом не ограничиваются промышленными установками и авиационным оборудованием. Источники шума повсюду, и всегда полезно добавлять в ваши проекты устойчивости, особенно если у вас есть что-то вроде бесколлекторного двигателя постоянного тока прямо рядом с вашей платой. RS-422/485, в сочетании с некоторыми экранированными кабелями с витой парой, является эффективным, но относительно безболезненным способом проектирования помехоустойчивости в любой электронной системе.

Заключение

Я надеюсь, эта статья дала вам четкое представление о том, что такое RS-422/485, и почему он может быть хорошим интерфейсом связи для вашей следующей системы. В следующей статье я расскажу об электрических характеристиках и подробностях RS-422/485.

Теги