Serijski RS485 protokol

Posle RS232 protokola, RS485 je najrasprostranjeniji serijski metodi. RS232 je jedan od najboljih protokola a koristi se i danas jer je primenjen na skoro svim kompjuterima i uređajima. Ali, u nekim situacija RS232 nije odgovarajući. RS232 je osmišljen za konekciju jednog data terminala (PC) sa jednom opremom za komunikaciju (modem) uz maksimalnu moguću brzinu prenosa od 20 kb/s i maksimalnom dužinom kabla 15 metara.

 RS232 nije odgovarajući protokol ako povezujemo dva udaljena PC računara bez modema, vezujemo više PC na mrežu, komuniciramo sa senzorima i opremom koji su veoma udaljeni ili želimo da razmenimo više podataka (ostvarimo veću brzina prenosa). RS485 standard je definisan od strane EIA da bi se dobio odgovor na sve ove nove kombinacije povezivanja. Time RS485 postaje najšire korišćen serijski protokol u sistemima za akviziciju i prenos podataka, za kontrolne aplikacije koje rade u realnom vremenu i za opštu komunikaciju izmeñu više udaljenih čvorova.

 RS 485 je polu-dupleks, asihnrona veza. Podaci mogu da se prenose u oba smera, ali ne u isto vreme. RS485 prenos podataka se vrši preko dve oklopljene upletene parice (RxD/TxD-P i RxD/TxD-N), prikazani na slici 11a. Moguće su brzine prenosa od 9.6 kbit/s do 2 Mbit/s. Dozvoljena dužina kabla izmeñu dva repetitora je od 100 do 1200 m, zavisno od korišćene brzine prenosa. Svi ureñaji su spojeni u zajedničku sabirnu strukturu, a po segmentu je dozvoljeno paralelno povezati maksimalno do 32 ureñaja. Na početku i kraju linije mora postoji terminator linije (slika 11b). Oba terminatora imaju sopstveno napajanje koje osigurava prenos bez greške. Podaci se prenose kao niz bitova kao na slici br.1 (Serijski protokol – RS232 protokol), s tim da RS485 koriste različite fizičke nivoe (slika br.1).

 

Slika br.1 RS485 prenos

a) Primer logičke sekvence b) Odgovarajući naponski nivoi RxD/TxD –P i RxD/TxD –N linije

 Jedan od najvećih prednosti RS485 protokola u odnosu na RS232 je otpornost na smetnje na prenosnim linijama. RS232 prijemnik poredi signal postavljen na liniju za podatke od strane predajnika sa zajedničkom signalnom masom. Nejednaki naponski nivo signalne mase na dve strane kabla, ili šum pokupljen na liniji, lako dovode do greške u prijemu. Zato je i triger nivo podešen relativno nisko ±3V. RS485 ne poznaje signalnu masu kao referencu. Razlika od nekoliko volti izmeñu signalnih masa na prijemu i predaji ne predstavlja problem za RS485. RS485 signali plivaju relativno u odnosu na Sig+ i Sig- liniju. RS485 prijemnik poredi razliku napona izmeñu ove dve linije i donosi odluku. Ovim je isključen uticaj petlji u signalnoj masi, koje su najznačajni izvor greške u komunikaciji. Najbolji rezultati se ujedno postižu ako se linije Sig+ i Sig- meñusobno uvežu, kao što je prikazano na sledećoj slici. Ovim se uticaj spoljnih magnetnih polja i indukovane smetnje dovode na minimalni nivo.

Slika br.2 Ilustracija uvećane otpornosti na šum prepletanjem Sig+ i Sig- linija.

 Ukoliko su linije postavljene paralelno, indukovana struja usled stranog magnetnog polja teče uvek u istom smeru i formira se petlja u kojoj se efekat akumuliše. Kada su linije isprepletene u kablu, smer struje šuma se menja u zavisnosti od dela kabla čime se efekat poništava i rezultujući nivo šuma smanjuje za red veličine. Oklopljavanje kabla je pokušaj da se spoljno magnetno polje zadrži izvan kabla, prepletanje žica daje dodatni imunitet i mnogo je bolji način za borbu protiv šuma. Najbolja je kombinacija ove dve metodu primenjena u STP (shielded twisted pair) i FTP (foiled twisted pair) mrežnim kablovima.. Sa svim ovim dodacima, plus naravno primena diferencijalnih signala, RS485 komunikacije se uspe[no ostvaruje i na 1200 metara udaljenosti. Primena diferencijalnih signala takoñe omogućuje mnogo veće brzine prenosa koje u slučaju RS485 dostižu i do 35 mb/s (udaljenost 12m).

 Jasno je da su na diferencijalnom prenosu bazirani RS422 i RS485 superiorniji u odnosu na RS232 po pitanju brzine prenosa i dužine linije. Takoñe se može uočiti da je brzina porasta signala na izlazu predajnika (slew rate) limitirana za RS232 da bi se izbegla refleksija signala na kablu. U slučaju RS422 i RS485 slew rate nije limitiran a da bi se izbegla refleksija neophodan je terminacioni otpornik. Iako su maksimalne vrednosti napona slične, triger signal nivo je mnogo manji za RS422 i RS485 (200mV). Time je moguće ostaviti brže promene nivoa signala i samim tim brže prenose. Ovako nizak triger nivo je moguć zbog diferencijalnog transfera i eliminisanog problema petlje mase.

 Sa druge strane, jedini protokol koji i dalje podržava potpuni dupleks je RS232. U slučaju RS422 posedujemo više prijemnika, a u slučaju RS485 i više mogućih predajnika, i svi dele istu liniju. Time je jasno da potpun dupleks nije moguć jer bi doveo do kolizije na liniji. U slučaju RS232 postoje odvojene linije za prijem i predaju i sa dobro napisanim protokolom nema potrebe za zahtev za prenos i čekanje na odobrenje zahteva, sve u cilju provere aktivnosti linije i izbegavanja kolizije. Kod svih RS485 baziranih potokola se ovo mora predvideti i time se ipak malo gubi na vremenu i propusnom opsegu.

 Mrežna topologija je jedan od najvažnijih razloga za uspeh RS485 i njegovu široku primenu u merno-akvizicionim i kontrolnim aplikacijama. RS485 mrežnom topologijom dozvoljava povezivanje više primopredajnika na isto mrežu.

Slika br.4 Mrežna topologija RS485 veze

 Slika prikazuje N primopredajnika povezano u multipoint RS485 network. Da bi se postigle velike brzine terminalni otpornici su neophodni na obe strane mreže da bi se eliminisala refleksija signala.

 Ako se koriste prijemnici sa 12 kΩ ulaznom otpornosti moguće je povezati do 32 primopredajnika na istu mrežu. Postoje i RS485 primopredajnici veće ulazne impedance kojom se ovaj broj uvećava do 256. Postoje i RS485 pojačavači (repeaters) koji spajaju dve mreže i omogućuju ukupan broj povezanih primopredajnika i do 1000 i to na udaljenosti i nekoliko kilometara.

 Mrežna topologija predviña samo jednu liniju za prenos. Time je jasno da RS485 može biti samo half duplex veza kojom se ne može obezbediti istovremeni prijem i predaja. Samo jedan podatak može biti prisutan na liniji. Ono što je dobro je da nije bitno ni ko šalje taj podatak, ni ko ga prima, sve kombinacije su dozvoljene.

 Ono što jeste bitno, software višeg nivoa koji koristi RS485 protokol kao bazični nivo (low level protocol) za komunikaciju mora da obezbedi dodatne funkcije kao što je provera aktivnosti linije pre slanja (izbegavanje kolizije), adresu prijemnika unutar poslatog paketa kojem se šalje podatak, mogućnost broadcast poruke, itd.

 Po definiciji, svi RS485 predajnici su u stanju visoke impedance i na liniji nema signala. U većini protokola višeg niova (high level protocols), jedan od primopredajnika se definiše kao gazda linije (master) koji počinje komunikaciju slanje poruka tipa pitanja (query) i komande (command) preko RS485 mreže. Svi primopredajnici primaju ovu poruku i u zavisnosti od informaciju unutat te poruke i adrese prijemnika jedan od čvorova odgovara masteru. Primenom komunikacije preko mastera se maksimalno iskoriščava propusni opseg linije i izbegava kolizija. Ipak , mogućnosti komunikacije su donekle ograničene jer svaka poruka da biti inicirana u master kontroleru.

 Postoje i protokoli višeg nivoa bez master primopredajnika (čvora) u kome svaki čvor može da počne komunikaciju. To je uglavnom urañeno u ethernet mrežama. Iako su ovim kombinacije za razmenu informacija umnogome uvećane, sada se javlja i mogućnost kolizije (dva predajnika počnu da šalju u isto vreme) koja se mora detektovati, jedan mora da odustane a drugi mora poruku ponoviti. Teorija kaže da se sada koristi samo 37% posto propusnog opsega. RS485 low level linijski driveri (primopredajnici) se automatski prebacuju u stanje visoke impedance kada je poruka koju su slali poslata (u toku nekoliko mikro sekundi).

 Dalja objašnjejna termina i pojmova možete pronaći na sajtu Katedre za energetsku elektroniku i pretvarače, Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu.