Was ist zunächst das Konzept der RS485-Schnittstelle?
Kurz gesagt handelt es sich um einen Standard für elektrische Eigenschaften, der von der Telecommunications Industry Association und der Electronic Industries Alliance definiert wird. Das digitale Kommunikationsnetzwerk, das diesen Standard verwendet, kann Signale effektiv über große Entfernungen und in Umgebungen mit hohem elektronischem Rauschen übertragen. RS-485 ermöglicht die Konfiguration kostengünstiger lokaler Netzwerke und Kommunikationsverbindungen mit mehreren Zweigstellen.
RS485 verfügt über zwei Arten der Verkabelung: Zweileitersystem und Vierleitersystem. Das Vierdrahtsystem kann nur eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation erreichen und wird derzeit nur noch selten verwendet. Derzeit wird meist die Zweileiter-Verdrahtungsmethode verwendet.
In der Schwachstromtechnik verwendet die RS485-Kommunikation im Allgemeinen eine Master-Slave-Kommunikationsmethode, dh einen Host mit mehreren Slaves.
Wenn Sie ein tiefes Verständnis von RS485 haben, werden Sie feststellen, dass darin tatsächlich viel Wissen steckt. Deshalb werden wir einige Themen auswählen, die wir normalerweise bei schwacher Elektrizität berücksichtigen, damit jeder sie lernen und verstehen kann.
Elektrische Vorschriften für RS-485
Aufgrund der Entwicklung von RS-485 aus RS-422 ähneln viele elektrische Vorschriften von RS-485 denen von RS-422. Bei symmetrischer Übertragung müssen Abschlusswiderstände an die Übertragungsleitung angeschlossen werden. RS-485 kann Zweidraht- und Vierdrahtmethoden anwenden, und das Zweidrahtsystem kann eine echte bidirektionale Mehrpunktkommunikation erreichen, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Bei Verwendung einer Vierdrahtverbindung wie RS-422 kann nur eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation erreicht werden, d. h. es kann nur ein Master-Gerät vorhanden sein und der Rest sind Slave-Geräte. Allerdings weist es im Vergleich zu RS-422 Verbesserungen auf und kann 32 weitere Geräte an den Bus anschließen, unabhängig von der Vierdraht- oder Zweidraht-Anschlussmethode.
Der RS-485-Gleichtaktspannungsausgang liegt zwischen -7 V und +12 V, und die minimale Eingangsimpedanz des RS-485-Empfängers beträgt 12 kΩ. Der RS-485-Treiber kann in RS-422-Netzwerken eingesetzt werden. RS-485 hat wie RS-422 eine maximale Übertragungsentfernung von etwa 1219 Metern und eine maximale Übertragungsrate von 10 Mbit/s. Die Länge des symmetrischen Twisted-Pair-Kabels ist umgekehrt proportional zur Übertragungsrate, und die angegebene maximale Kabellänge kann nur verwendet werden, wenn die Geschwindigkeit unter 100 kb/s liegt. Die höchste Übertragungsrate kann nur über eine sehr kurze Distanz erreicht werden. Im Allgemeinen beträgt die maximale Übertragungsrate eines 100 Meter langen Twisted-Pair-Kabels nur 1 Mbit/s. RS-485 erfordert zwei Abschlusswiderstände mit einem Widerstandswert, der dem Wellenwiderstand des Übertragungskabels entspricht. Bei der Übertragung im rechtwinkligen Abstand kann auf einen Abschlusswiderstand verzichtet werden, der unterhalb von 300 Metern in der Regel nicht erforderlich ist. Der Abschlusswiderstand wird an beiden Enden des Übertragungsbusses angeschlossen.
Wichtige Punkte für die Netzwerkinstallation von RS-422 und RS-485
RS-422 kann 10 Knoten unterstützen, während RS-485 32 Knoten unterstützt, sodass mehrere Knoten ein Netzwerk bilden. Die Netzwerktopologie verwendet im Allgemeinen eine terminalangepasste Busstruktur und unterstützt keine Ring- oder Sternnetzwerke. Beim Aufbau eines Netzwerks sollten folgende Punkte beachtet werden:
1. Verwenden Sie ein Twisted-Pair-Kabel als Bus und verbinden Sie jeden Knoten in Reihe. Die Länge der ausgehenden Leitung vom Bus zu jedem Knoten sollte so kurz wie möglich sein, um den Einfluss des reflektierten Signals in der ausgehenden Leitung auf das Bussignal zu minimieren.
2. Auf die Kontinuität der charakteristischen Busimpedanz muss geachtet werden, und bei der Klassifizierung von Impedanzdiskontinuitäten kommt es zu Signalreflexionen. Folgende Situationen können leicht zu dieser Diskontinuität führen: Verschiedene Abschnitte des Busses verwenden unterschiedliche Kabel, auf einem bestimmten Abschnitt des Busses sind zu viele Transceiver dicht nebeneinander installiert, oder es werden zu lange Stichleitungen zum Bus herausgeführt.
Kurz gesagt, als Bus sollte ein einziger, kontinuierlicher Signalkanal bereitgestellt werden.
Wie ist die Länge des Übertragungskabels bei Verwendung der RS485-Schnittstelle zu berücksichtigen?
Antwort: Bei Verwendung der RS485-Schnittstelle ist die maximal zulässige Kabellänge für die Datensignalübertragung vom Generator zur Last auf einer bestimmten Übertragungsleitung eine Funktion der Datensignalrate, die hauptsächlich durch Signalverzerrung und Rauschen begrenzt wird. Die in der folgenden Abbildung dargestellte Beziehungskurve zwischen der maximalen Kabellänge und der Signalrate wird unter Verwendung eines verdrillten Telefonkabels mit 24 AWG Kupferkern (mit einem Drahtdurchmesser von 0,51 mm) und einer Leitungs-zu-Leitungs-Bypass-Kapazität von 52,5 PF/M erhalten. und einen Anschlusslastwiderstand von 100 Ohm.
Wenn die Datensignalrate unter der Annahme eines maximal zulässigen Signalverlusts von 6 dBV auf unter 90 Kbit/s sinkt, ist die Kabellänge auf 1200 M begrenzt. Tatsächlich ist die Kurve in der Abbildung sehr konservativ und in der Praxis ist es möglich, eine größere Kabellänge zu erreichen.
Bei Verwendung von Kabeln mit unterschiedlichen Aderdurchmessern. Die maximale Kabellänge ist unterschiedlich. Wenn die Datensignalrate beispielsweise 600 Kbit/s beträgt und ein 24AWG-Kabel verwendet wird, ist aus der Abbildung ersichtlich, dass die maximale Kabellänge 200 m beträgt. Bei Verwendung eines 19AWG-Kabels (mit einem Aderdurchmesser von 0,91 mm) kann die Kabellänge mehr als 200 m betragen; Bei Verwendung eines 28AWG-Kabels (mit einem Aderdurchmesser von 0,32 mm) darf die Kabellänge nur weniger als 200 m betragen.
Wie erreicht man eine Mehrpunktkommunikation von RS-485?
Antwort: Es kann immer nur ein Sender gleichzeitig auf dem RS-485-Bus senden. Halbduplex-Modus mit nur einem Master-Slave. Im Vollduplex-Modus kann die Master-Station immer senden und die Slave-Station kann nur einmal senden. (Kontrolliert von und DE)
Unter welchen Bedingungen muss die Klemmenanpassung für die RS-485-Schnittstellenkommunikation verwendet werden? Wie ermittelt man den Widerstandswert? Wie konfiguriere ich Klemmenanpassungswiderstände?
Antwort: Bei der Signalübertragung über große Entfernungen ist es im Allgemeinen erforderlich, am Empfangsende einen Abschlusswiderstand anzuschließen, um Signalreflexion und Echo zu vermeiden. Der Widerstandswert für die Anschlussanpassung hängt von den Impedanzeigenschaften des Kabels ab und ist unabhängig von der Länge des Kabels.
RS-485 verwendet im Allgemeinen Twisted-Pair-Verbindungen (geschirmt oder ungeschirmt) mit einem Anschlusswiderstand typischerweise zwischen 100 und 140 Ω, mit einem typischen Wert von 120 Ω. In der tatsächlichen Konfiguration ist an jedem der beiden Endknoten des Kabels, dem nächsten und dem am weitesten entfernten, ein Abschlusswiderstand angeschlossen, während der Knoten in der Mitte nicht mit dem Abschlusswiderstand verbunden werden kann, da es sonst zu Kommunikationsfehlern kommt.
Warum werden über die RS-485-Schnittstelle weiterhin Daten vom Empfänger ausgegeben, wenn die Kommunikation gestoppt ist?
Antwort: Da bei RS-485 nach dem Senden von Daten alle Sendefreigabesteuersignale ausgeschaltet und die Empfangsfreigabe gültig sein müssen, wechselt der Bustreiber in einen hochohmigen Zustand und der Empfänger kann überwachen, ob neue Kommunikationsdaten auf dem Bus vorhanden sind.
Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Bus in einem passiven Antriebszustand (wenn der Bus über einen Anschlussanpassungswiderstand verfügt, ist der Differenzpegel der Leitungen A und B 0, der Ausgang des Empfängers ist unsicher und er reagiert empfindlich auf Änderungen des eingeschalteten Differenzsignals). Leitung AB; wenn keine Anschlussanpassung erfolgt, befindet sich der Bus in einem Zustand mit hoher Impedanz und der Ausgang des Empfängers ist unsicher, sodass er anfällig für externe Rauschstörungen ist. Wenn die Rauschspannung den Schwellenwert des Eingangssignals überschreitet (typischer Wert ± 200 mV), gibt der Empfänger Daten aus, was dazu führt, dass der entsprechende UART ungültige Daten empfängt, was zu nachfolgenden normalen Kommunikationsfehlern führt. Eine andere Situation kann auftreten, wenn die Übertragungsfreigabesteuerung ein-/ausgeschaltet wird und der Empfänger ein Signal ausgibt, was ebenfalls dazu führen kann, dass UART falsch empfängt. Lösung:
1) Auf dem Kommunikationsbus wird die Methode des Hochziehens (A-Leitung) am gleichen Phaseneingangsende und des Herunterziehens (B-Leitung) am entgegengesetzten Phaseneingangsende verwendet, um den Bus zu klemmen und sicherzustellen, dass der Empfängerausgang auf a liegt festes „1“-Niveau; 2) Ersetzen Sie die Schnittstellenschaltung durch Schnittstellenprodukte der MAX308x-Serie mit integriertem Fehlerverhinderungsmodus. 3) Das Eliminieren durch Software bedeutet, dass 2–5 anfängliche Synchronisationsbytes innerhalb des Kommunikationsdatenpakets hinzugefügt werden. Erst nachdem der Synchronisationsheader erfüllt ist, kann die eigentliche Datenkommunikation beginnen.
Signaldämpfung von RS-485 in Kommunikationskabeln
Der zweite Faktor, der die Signalübertragung beeinflusst, ist die Dämpfung des Signals bei der Kabelübertragung. Ein Übertragungskabel kann als Ersatzschaltung angesehen werden, die aus einer Kombination aus verteilter Kapazität, verteilter Induktivität und Widerstand besteht.
Die verteilte Kapazität C eines Kabels wird hauptsächlich durch zwei parallele Adern eines verdrillten Paares erzeugt. Der Widerstand des Kabels hat hier kaum Einfluss auf das Signal und kann vernachlässigt werden.
Der Einfluss der verteilten Kapazität auf die Übertragungsleistung des RS-485-Busses
Die verteilte Kapazität eines Kabels wird hauptsächlich durch zwei parallele Adern eines verdrillten Paares erzeugt. Darüber hinaus gibt es auch eine verteilte Kapazität zwischen dem Kabel und der Erde, die zwar sehr klein ist, aber bei der Analyse nicht ignoriert werden kann. Der Einfluss der verteilten Kapazität auf die Busübertragungsleistung ist hauptsächlich auf die Übertragung grundlegender Signale auf dem Bus zurückzuführen, die nur auf die Weise „1“ und „0“ ausgedrückt werden können. In einem speziellen Byte wie 0x01 ermöglicht das Signal „0“ eine ausreichende Ladezeit für den verteilten Kondensator. Wenn jedoch das Signal „1“ eintrifft, bleibt aufgrund der Ladung im verteilten Kondensator keine Zeit zum Entladen und (Vin+) – (Vin –) – ist immer noch größer als 200 mV. Dies führt dazu, dass der Empfänger fälschlicherweise annimmt, dass es sich um „0“ handelt, was letztendlich zu CRC-Verifizierungsfehlern und dem gesamten Übertragungsfehler des Datenrahmens führt.
Aufgrund des Einflusses der Verteilung auf dem Bus kommt es zu Datenübertragungsfehlern, die zu einer Verringerung der Gesamtleistung des Netzwerks führen. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen:
(1) Reduzieren Sie die Baudrate der Datenübertragung;
(2) Verwenden Sie Kabel mit kleinen verteilten Kondensatoren, um die Qualität der Übertragungsleitungen zu verbessern.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.07.2023