Интерфейс RS-485 с гальванической развязкой

Роботы, системы контроля производством, сборочные и упаковочные машины, комплексы по транспортировке материалов и деталей содержат большое количество контролирующих приборов и исполнительных механизмов. Промышленная сеть обеспечивает связь между приборами систем управления и передачу информации между промышленными компьютерами. Промышленная сеть включает в себя множество стандартных протоколов передачи данных, позволяющих организовать обмен данными между устройствами, выпущенными разными производителями и обеспечить взаимодействие уровней системы управления.

В роли промышленного компьютера может выступать программируемый логический контроллер или персональный компьютер, предназначенный для специальных условий работы. Сегодня, когда микроконтроллеры, специализированные микросхемы, надежные компоненты схем с высокими характеристиками стали достаточно дешевыми, имеет смысл отдельным модулям на основе микроконтроллеров поручать решение локальных задач. Промышленная сеть позволяет компьютерам использовать данные модулей, которые входят в систему управления.

Организация сети, связывающей промышленные компьютеры и модули, имеющие каждый свою функцию, значительно увеличивает производительность системы, повышает надежность работы, позволяет организовать резервирование, облегчает ремонт, модификацию оборудования, расширение и наращивание сети. Правила кодирования информации и порядок приема-передачи данных регламентирует протокол обмена. Для организации обмена данными требуется физическая среда в частности кабельная линия. Выбор передачи по кабельной линии уменьшает возможность утечки информации в сравнении с передачей по радио, при использовании в спецтехнике не нарушается работа сети из-за постановки радиопомех.

Общая шина это самый часто встречающийся тип топологии сети. Преимущества общей шины – простота и низкая стоимость, облегченное изменение конфигурации. Общая шина позволяет отключать или подключать устройства в горячем режиме, другими словами без отключения питания. Общая шина подходит для объединения объектов, находящихся на удалении друг от друга.

Некоторые рекомендации стандарта RS-485

Физическую реализацию обмена информацией рекомендует стандарт интерфейса. Один из стандартов обмена данными с использованием проводной линии это стандарт RS-485, который разработан совместно двумя ассоциациями производителей: ассоциацией электронной промышленности (EIA – Electronics Industries Association) и ассоциацией промышленности средств связи (TIA – Telecommunications Industry Association). Абревеатура "RS" означает рекомендованный стандарт (recommended standard).

Простейший случай обмена информацией в соответствием со стандартом RS-485 – конфигурация сети точка-точка, например датчик – промышленный компьютер. Стандарт позволяет соединить множество точек, обеспечивается организация сети, объединяющей вместе до тридцати двух точек и передачу информации на максимальное расстояние тысяча двести метров. Для увеличения расстояния передачи устанавливают повторители. Каждый повторитель увеличивает дальность передачи на тысячу двести метров.

Установка повторителя также дает возможность добавить тридцать две точки связи. В соответствии с правилами стандарта на одной линии может присутствовать несколько приемников и несколько передатчиков. Тип связи между точками сети относится к полудуплексной. Устройства, объединенные линией связи, поочередно принимают или передают информацию.

Одновременный прием и передача информации одним устройством невозможна. Сеть, выполненная в соответствии со всеми требованиями стандарта, построена на основе линий связи, представляющих собой витую пару и сигнальную землю. Витой парой называют два скрученных провода с одинаковыми характеристиками и одинаковой протяженности.

Принцип передачи информации состоит в том, что сигнал на одном проводе витой пары является зеркальным отражением сигнала на втором проводе. Это называется дифференциальной или балансной передачей данных. Если на одном проводе витой пары напряжение имеет высокий уровень, то на другом проводе напряжение будет иметь низкий уровень. Такая передача электрического сигнала по витой паре обеспечивается электрической схемой интерфейса. При таком принципе передачи напряжение между проводами витой пары присутствует всегда рис. 1.

График балансного сигнала на проводах витой пары А и В

Рис. 1. Балансный сигнал на проводах витой пары А и В

Для правильной работы устройств, объединенных промышленной сетью RS-485 линия связи обязательно должна содержать провод сигнальной земли. Этот провод не используется электроникой интерфейса при определении логического уровня, принимаемого из линии.

Двоичные данные передаются с помощью полярности напряжения между проводами витой пары. Этот метод передачи выбран для обеспечения высокой помехозащищенности. Воздействующая электромагнитная волна, пересекая линию связи промышленной сети, создает в обоих проводах напряжение помехи. Если два провода пролегают близко друг к другу и перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Чем плотнее прилегают провода и выше равенство их характеристик, тем сильнее равенство напряжений помехи, электроника интерфейса лучше воспринимает дифференциальный сигнал и помехозащищенность возрастает.

Важным свойством интерфейса, повышающим помехозащищенность, является равенство нагрузок на провода витой пары. При передаче сигнала без использования дифференциального метода и витой пары по одному сигнальному проводу и общему проводу наводка на сигнальный провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода. В этом случае дополнительным источником искажений может быть длинный общий провод. Для нормальной передачи информации потребуется выравнивание потенциалов корпусов соединенных приборов. Длинный общий провод может иметь достаточное сопротивление для внесения искажений в сигнал. При балансной передаче искажений, вызванных сопротивлением сигнальной земли, не происходит.

Электрическая схема интерфейса

При разработке модуля, имеющего интерфейс, применяются специализированные микросхемы. Производители микросхем гарантируют электрическое согласование линии связи промышленной сети и схемы обработки данных. Специализированные микросхемы выполняют только электрическое согласование. Они не производят обработку информации, протокол обмена данными для них не важен. Задача специализированной микросхемы интерфейса преобразовать балансный сигнал в небалансный.

Пример рассмотренный далее это преобразование балансного сигнала в небалансный сигнал, соответствующий требованиями последовательного асинхронного интерфейса USART. Для предотвращения проникновения помех, наведенных внешними источниками на линию связи в устройство, оснащенное интерфейсом RS-485, применяется электрическая изоляция лини связи от всех других цепей.

Электрические цепи, изолированные от корпуса прибора и от цепей питания, других цепей чаще называют гальванически развязанными. Основу схемы интерфейса с гальванической развязкой составляет микросхема, изображенная на рис. 2. Микросхема содержит элементы, исключающие электрический контакт между линией связи и схемой обработки информации и в тоже время позволяющие обеспечить надежный обмен данными. Для решения этой задачи применяются трансформаторы и оптроны. Микросхема, обеспечивающая гальваническую развязку, изготавливается по гибридной технологии и включает компоненты обоих типов. Одна из таких микросхем – MAX1480.

микросхема интерфейса RS-485 в корпусе PDIP

Рис. 2. Специализированная микросхема интерфейса RS-485

Внутри микросхема содержит две изолированные части. Одна часть подключена к линии связи. Другая к выводам микроконтроллера и питанию электронного модуля. Для питания цепей, работающих с линией связи, MAX1480 содержит импульсный преобразователь напряжения, использующий питание схемы электронного модуля. Провода линии: прямой балансный вход-выход А и инверсный балансный вход-выход В соединены с соответствующими выводами микросхемы DD1. Сигнальная земля линии связи соединена через резистор R1 с общим проводом питания цепей, работающих с линией связи. Резистор R1 необходим для защиты микросхемы DD1 от повреждения.

схема интерфейса RS-485

Рис. 3. Электрическая схема интерфейса RS-485

Гальваническую развязку передаваемого сигнала осуществляет оптрон, содержащийся в микросхеме DD1. Режим работы фотоприемника оптрона формирующего сигнал, передаваемый в линию, установлен сопротивлением резистора R4. Стабилитрон VD2 устанавливает оптимальный режим оптрона, разрешающего работу оптрона передатчика. Через резистор R5 поступает сигнал управления светодиодом оптрона цифрового входа приемника сигнала, поступающего из линии связи.

С вывода 13 микросхемы DD1 выход приемника сигнала RO (receiver output) поступает сигнал, принятый от линии связи в инвертированном виде. Выходной транзистор оптрона приемника микросхемы DD1 соединяет резистор R6 и затвор транзистора VT1 c общим проводом питания схемы

Для преобразования инвертированного сигнала в обычный вид в схему включен транзистор VT1 и резистор R7. Вход передатчика DI (driver input) микросхемы DD1 через резистор R9 соединен с выходом TXD микроконтроллера DD2. Резистор R9 устанавливает режим светодиода оптрона передатчика.

Резистор R8, соединенный с сходом DE (driver enable) микросхемы DD1 устанавливает режим светодиода оптрона разрешающего работу передатчика. Во время приема необходимо отключать передатчик, а во время передачи сигнала отключать приемник.

При низком логическом уровне на входе DE происходит прием, при высоком логическом уровне микросхема DD1 переходит в режим передачи. Схема питается от преобразователя напряжения DA1, гальванически развязывающий питание 24 вольта от питания микросхемы интерфейса и микроконтроллера.

Таблица 1. Перечень элементов интерфейса RS-485

Позиционное обозначение Наименование Количество
Конденсаторы
С1, С2 SMD 0805 0,47 мкФ ±10% 50 В 2
C3 EМR 47 мкФ ±20% 16 B ф. HITANO 1
     
Резисторы SMD 1206 ±1%
R1 100 Ом ±1% 1
R2, R3, R4 1 кОм ±1% 3
R5 200 Ом ±1% 1
R6 1 кОм ±1% 1
R7 10 кОм ±1% 1
R8, R9 100 Ом ±1% 2
     
Полупроводниковые компоненты
VD1 Диод 1N4007 1
VD2 Стабилитрон 2C147В 1
VT1 Транзистор IRLU120N ф. IOR 1
     
Схемы и модули
DA1 Преобразователь напряжения REC5-2405SRW/H2/A/M ф. RECOM 1
DD1 Микросхема MAX1480AEPI ф. MAXIM 1
XP1 Вилка DIN41612-396 MRD 1

Благодаря применению компонентов питания и интерфейса, содержащих гальваническую развязку, схема полностью изолирована от внешних цепей. При напряжении на линии связи в диапазоне +/-200 милливольт, выходное состояние не определено. Если ни одно из устройств сети не ведет линию или соединение разорвано, то логическая единица или логический ноль на выходе равновероятны. Для обеспечения определенного состояния на выходе приемника RO требуется установка резисторов защитного смещения.

Применение в схеме стабилитрона позволило исключить настройку, использовать сто процентов микросхем MAX1480 и обеспечить передачу информации в полном объеме. Для внесения ясности в нагрузочную способность интерфейса в помощь конструктору промышленной сети принята гипотетическая единица, называемая "единичная нагрузка", помогающая подсчитать количество устройств объединяемых в одну промышленную сеть.

Входное сопротивление модуля, оснащенного интерфейсом, в основе которого микросхема MAX1480 согласно данным производителя составляет 48 килоом, что составляет одну четверть единичной нагрузки – 12 килоом. Одновременно следует учитывать влияние резисторов R2 и R3, обеспечивающих защитное смещение, увеличивающих нагрузку на передатчик.

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

Жгут включающий витую пару проводов А и В и провод сигнальной земли прокладывается между ответной частью разъема XР1, установленного на плате контроллера и разъемом размещенным на корпусе прибора для подключения кабеля лини связи. Линия связи имеет экран, внутри которого находятся витая пара и провод сигнальной земли. Корпус прибора электрически соединяется с экраном линии связи. Разъем подключения кабеля лини связи должен обеспечивать круговой непрерывный электрический контакт между экраном кабеля и корпусом прибора. Корпус прибора электрически изолирован от сигнальной земли.

Корпуса всех приборов, объединяемые в промышленную сеть, обязательно соединяются с заземлением. Подключение экрана лини связи только на одном конце к корпусу прибора защищает от низкочастотных помех. Соединение экрана на двух концах лини с корпусами приборов 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: расположенных рядом мощных передатчиков, энергетических цепей, электродвигателей.

Соединение экрана на обоих концах линии имеет недостаток, а именно возможность протекания по экрану низкочастотным токам, вызванным наличием напряжения между этими двумя концами экрана или контуром заземления соединенных приборов. Низкочастотный ток создаст небольшую помеху на расположенной внутри паре проводов с частотой сети питания.

Справочные данные: MAX1480A

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь
simferopol1970@gmail.com

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Конденсатор

Последовательное и параллельное соединение резисторов

КОММЕНТАРИИ:

Валерий
писал: 2014-05-23
Спасибо, полезная информация.

Добавить комментарий:

Ваше имя:
Ваш E-mail:
Ваш комментарий:
Введите сумму чисел с картинки (защита от роботов):