Последовательные интерфейсы по стандартам RS232C и RS485.

В качестве примера рассмотрим применение распространённых в контроллерном программном управлении и УЧПУ физических последовательных интерфейсов по стандартам RS232C и RS485 (RS – Recommended Standard). Эти стандарты были разработаны американской ассоциацией EIA (Electronics Industries Alliance). Основное назначение интерфейса RS232C – обеспечение связи УВМ с управляемым объектом по методу PtP (Point-to-Point – точка-точка). По стандарту RS232C функционирует COM-порт (Communication Port) персонального компьютера. Поскольку RS232C является радиальным интерфейсом типа PtP, то понятие адреса в нём отсутствует. Об основных функциях системы передачи по стандарту RS232C даёт представление описание сигналов данного интерфейса, приведённые в табл.2.2.

Таблица 2.2

Функции системы передачи по стандарту RS232C

Согласно табл.2.2 информация передаётся через интерфейс RS232C в оконечное устройство в виде импульсов напряжения между проводами TD и SG, а в обратном направлении – по проводу RD относительно того же SG. Таким образом, обеспечивается возможность реализации дуплексного режима связи, т.е. одновременной передачи информации в обоих направлениях. Уровень логического нуля передающего устройства TD стандартизируется в пределах от 5 до 12 В, а уровень логической единицы – от -12 до -5 В. Соответственно уровни потенциала приёмного сигнала RD должны находиться в пределах ±(3…12) В. Повышенные уровни напряжений сигналов RS232C (а также RS485) способствуют повышенной помехозащищённости цеховых систем автоматизации, использующих эти интерфейсы.

Обмен информацией в интерфейсе RS232C начинается с установления сигнала DTR = 1, означающего готовность контроллера интерфейса к обмену данными. Если в ответ оконечное устройство также объявит о готовности к обмену данными путём установки DSR = 1, то передача данных в оконечное устройство будет осуществляться при наличии сигналов RTS = 1 и CTS = 1 одновременно. Процесс передачи информации проходит либо в асинхронном, либо в синхронном режиме. В асинхронном режиме обмен информацией производится побитно. Для синхронизации передающего узла интерфейса с приёмной частью в поток информации вставляют стартовый бит перед передачей каждого байта информации, а в конце каждого байта вставляют стоповый бит. Стартовый бит соответствует уровню логического нуля, а стоповый бит – уровню логической единицы. В течение всего времени паузы, пока не начнётся передача нового байта информации, на линии передачи поддерживается состояние логической единицы. В синхронном режиме оформление кадра информации (побайтно или в иной форме) и его адресация производятся на канальном уровне обмена информацией. Максимальное быстродействие RS232C соответствует скорости передачи 115, 2 Кбит/с при длине линии связи до 15 м, поскольку его линии связи несимметричны.

Если необходимо вести обмен информацией способом последовательной передачи данных по одной и той же линии между несколькими устройствами (многоточечный режим), то время использования этой линии для передачи данных должно быть поделено между всеми устройствами, что и при работе в одноточечном режиме должна быть повышена пропорционально числу устройств, подключенных к линии передачи. Это может быть достигнуто путём перехода от однопроводной несимметричной линии к двухпроводной симметричной линии связи.

Задача обеспечения многоточечного режима обмена данными и повышения скорости передачи данных решается с помощью интерфейса RS485, включаемого на выходе интерфейса RS232C через согласующее устройство (адаптер). Типичная двухпроводная информационная сеть, построенная на базе интерфейса RS485, приведена на рис.2.3.

Рис.2.3. Типичная двухпроводная многоточечная информационная сеть

на базе интерфейса RS485.

Основой каждого интерфейсного узла RS485 является пара электронных преобразовательных устройств: G и R. Одно из них (G) преобразует несимметричное входное напряжение в симметричное линейное напряжение между точками A и B на его выходе.

Устройство G является передатчиком сигналов TD, которые поступают на вход G с выхода интерфейса RS232C. Единичному логическому сигналу на выходе AB соответствует отрицательное напряжение в точке A по отношению к точке B (U_AB), а нулевому сигналу - положительное напряжение U_AB. Таким образом, передача информации осуществляется разнополярными импульсами напряжения одной и той же амплитуды, что облегчает реализацию гальванической развязки.

Устройство R является приёмником, оно преобразует симметричный дифференцированный сигнал U_AB, поступающий с линии связи, в несимметричный выходной сигнал RD. В целом симметричная дифференцированная система связи, на которой построена информационная сеть (см.рис.2.3), реализуется с помощью трёх проводов: связных проводов Aи B и общего провода SG (сигнальная земля). Такая трёхуровневая система связи позволяет создать помехоустойчивую скоростную магистраль со скоростью передачи информации до 10 Мбит/с при длине линии связи до 15 м и не менее 90 Кбит/с при длине линии связи до 1 200 м. На такой линии связи может быть подключено до 32 приёмопередающих узлов.

К обоим концам линии связи должны быть подключены согласующие резисторы сопротивлением 120 Ом. Подключение таких резисторов в промежуточных точках подсоединения адаптеров RS485 не требуется.

Все передатчики информационной сети, представленной на рис.2.3, передают информацию в одну и ту же информационную магистраль, так что когда один передатчик передаёт данные, остальные должны быть отключены. Чтобы это стало возможным, все передатчики G (как и приёмные устройства R) реализованы в виде схем с тремя возможными состояниями выходов: логическая единица, логический нуль и отключенное состояние.

Каждое из устройств G включено при сигнале запроса передачи RTS = 1, а работающее с ним в паре в составе интерфейса RS485 приёмное устройство R при этом отключено (см.рис.2.3). При RTS = 0 передатчик G интерфейса оказывается отключенным, а приёмник R – соответственно включенным. Поскольку в двухпроводной информационной системе, построенной на интерфейсе RS485, включенным может быть только один передатчик, все остальные узлы информационной сети будут работать в режиме приёма. Те из них, кому адресованы передаваемые данные, будут их принимать через приёмные устройства R. Эти приёмные устройства преобразуют данные, пришедшие в виде симметричных импульсов напряжения U_AB, в несимметричные сигналы RD, которые далее попадают на интерфейс RS232C или в приёмный регистр исполнительного устройства, управляемого от УВМ.

Любое исполнительное устройство может передавать через передатчик G запрошенные данные в УВМ. Возможен вариант четырёхпроводной сети, но она может работать только в режиме ведущий (master) – ведомый (slave). При этом все приёмники ведомых узлов подсоединяются только к приёмнику ведущего узла. Такая схема повышает надёжность информационной сети, построенной по принципу ведущий – ведомый, но и значительно удорожает её.

Локальные сети АСУТП обычно построены по схеме ведущий – ведомый и употребляют интерфейс RS485. В качестве примера рассмотрим двухпроводную информационную сеть, состоящую из ведущей УВМ и ведомых устройств. УВМ через адаптер RS232/RS485 связана с ведомыми оконечными устройствами, число которых превышает 32 (рис.2.4).

Рис.2.4. Информационная сеть RS485 по схеме ведущий – ведомый.

В этом случае увеличение числа подключаемых оконечных устройств типа УСО и интеллектуальных датчиков достигается за счёт использования повторителя. Повторитель (repeater) системы RS485 является двухпроводным двухсторонним устройством, которое передаёт данные, генерируемые в информационной сети, в обе стороны с одновременным восстановлением амплитуды импульсов передаваемых данных. С его вторичной стороны может быть подключено ещё 32 оконечных устройств.

Локальная сеть, построенная на базе интерфейса RS485 аналогично сети, приведённой на рис.2.4, может быть присоединена к УВМ и через интерфейс USB, но с адаптером USB/RS485. Интерфейс USB отличается повышенными скоростями передачи (до 12 Мбит/с при длине связного сегмента до 5 м) и малогабаритными надёжными разъёмами.