Kā paplašināt RS-485 tīklu klāstu rūpniecības sistēmām

Kā paplašināt mikroliegumu dabas parkā? (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Viens tīkla protokols, kas ir izturējis laika pārbaudi skarbajā, trokšņainā vidē, ir RS-485, un nesenie panākumi signālu apstrādes un apstrādes procesā nodrošinās, ka tā turpina to darīt.

BY MICHAEL JACKSON, Analog IC Design Engineer, un SEAN LONG, direktors, Pieteikumi, Industrial & Healthcare Business Unit
Maxim integrēts
www.maximintegrated.com

Tā kā mūsdienu rūpnieciskā vide kļūst aizvien lielāka un sarežģītāka, ražošanas inženieri ir apstrīdēti automatizēto rūpniecisko procesu kontroles sistēmu projektēšanā un izvietojumā, jo īpaši attiecībā uz sakaru tīkla drošību, diapazonu un datu pārraides ātrumu. Tomēr viens tīkla protokols, kas izturējis laika pārbaudi skarbajā, trokšņainā vidē, ir RS-485, un nesenie panākumi signālu apstrādes un apstrādes procesā nodrošinās, ka tā turpina to darīt.

Šis raksts īsumā pārskatīs sākotnējo RS-485 specifikāciju un parādīs tās relatīvās stiprās un vājās puses. Pēc tam tā parādīs, kā tās iespējas tiek paplašinātas, lai apmierinātu mūsdienu rūpniecisko tīklu protokolu prasības.

RS-485 evolūcija
Vairāk nekā 20 gadus kopīgie tīkla protokoli, piemēram, PROFIBUS, ir izmantojuši RS-485 standartu elektrisko signālu pārraidīšanai fiziskā datu nesējā skarbā, elektriska trokšņaina rūpnieciskajā vidē ( 1. attēls ).

1. attēls: rūpnieciskā vide kļūst arvien sarežģītāka, tomēr tā joprojām ir skarba un elektriski trokšņaina, radot grūtības dizaineriem iegūt vairāk no tīkla saskarnēm.

Tomēr, tā kā šie tīkla protokoli ir izstrādāti un attīstījušies, oriģinālā RS-485 specifikācija ir stingri ierobežota (un tālāk).

1998. gada martā tika apstiprināts oriģināls ANSI / TIA / EIA-485-A-1998 standarts, kas šobrīd pazīstams kā RS-485. RS-485 ir divvirzienu, pusdupleksa standarts ar vairākiem "bussed" draiveriem un uztvērējiem, kuros katrs vadītājs var atteikties no autobusa. RS-485 ir tikai elektriskā, fiziskā slāņa (PHY) standarts, kas balstās uz diferenciālām signalizācijām par trokšņa traucējumiem, parasti ar līdzsvarotu pārraides kabeli, piemēram, neaizsargātu vītā pāra (UTP).

Uztvērēja ievades jutība ir no -7-V līdz 12-V kopējā režīmā, un tas nozīmē, ka, lai atpazītu "atzīmi" (loģisko 1) vai "atstarpi" (loģiski 0), uztvērējam ir jāredz signāla līmenis virs 200 mV vai zemāks par -200 mV. Maksimālā uztvērēja ieejas pretestība ir 12 kΩ, un vadītāja izejas spriegums ir ± 1, 5 V minimāls, maksimālais ± 5 V. 2. attēlā ir uzskaitītas galvenās specifikācijas oriģinālajā RS-485 standartā.

Prasība, lai rūpniecisko tīklu protokoli darbotos, palielinoties datu pārraides ātrumam, mūsdienu RS-485 uztvērēju dizaineri ir pamanījuši oriģinālo specifikāciju daudz tālāk par sākotnējo ierobežojumu. Mūsdienīgajiem uztvērējiem nav nekas neparasts strādāt pie ātruma, kas ir daudzskaitlis no sākotnējās specifikācijas, piemēram, no 30 Mbits / s līdz 40 Mbits sekundē. Šie datu pārraides ātrumi ir sasniedzami tikai relatīvi nelielos attālumos (dažu metru rādiusā). Tomēr mūsdienu procesu vadības sistēmu mērogam un sarežģītībai ir vajadzīgi signāli, kas pārvietojas lielākā ātrumā vidējā attālumā (līdz 100 m). Lai to panāktu, RS-485 ieviešana bija jāpārskata.

Lielāks ātrums lielos attālumos
Inženieri atzīmēja, ka inter-simbolu traucējumi ir galvenais ierobežojums attiecībā uz maksimālo attālumu RS-485 sakaru un ka pre-emphasis var ļoti efektīvi samazināt šos traucējumus. Iepriekš uzsvars tiek likts uz pārraidītā signāla avotu pirms elektriskā kanāla un uzlabo signāla kvalitāti galamērķī. Šī metode ir izplatīta. Piemēram, IC-izkārtojuma programmās pre-emphasis koriģē līnijas platumu, lai kompensētu etching-rate variācijas, kas notiek ap stūriem. Disk-diska vadīklos pre-emphasis kompensē sliktu frekvences reaģēšanu netālu no diska centra. Vēl viens pre-akcentu veids samazina lentes zibspuldzi, uzlabojot zema līmeņa signālus vidējā un augstfrekvences skaņas joslās, ierakstot un pēc tam apgriežot šo procesu atskaņošanas laikā.

Pamatojoties uz šo secinājumu, inženieri izstrādāja RS-485 uztvērējus, kas ietver iekšēju iepriekšēju uzsvaru, lai vēl vairāk paplašinātu mūsdienu ierīču iespējas, salīdzinot ar jau veiktajiem uzlabojumiem un ievērojami pārsniedzot oriģinālās specifikācijas. Piemēram, tiek parādīts, ka moderna ierīce spēj pārraidīt vairāk nekā 100 Mb / s virs 10 m ( 3. attēls ).

3. attēls: mūsdienīgs RS-485 uztvērējs var sasniegt 100 Mb / s vairāk nekā 10 m, izmantojot Cat5e UTP kabeli ar labu acu atvēršanu. (Skala 2, 5 ns / div)

Kā parādīts attēlā redzamajā acs shēmā ( 3. att. ), Šī ierīce sasniedz datu pārraides ātrumu 100 Mbits sekundē, kas pārsniedz 10 Cat5e kabeļa (un potenciāli pat ilgākos attālumos atkarībā no izvēlētā kabeļa izvēles).

Ir iespējams iegūt salīdzinoši augstus datu pārraides ātrumus ilgākos rūpnīcas tīkla kabeli: līdz 50 Mbits / s ar vairāk nekā 100 m kabeli. Lai gan tas nav tik izteikts, acs atvere pie šī ātruma (aptuveni ± 0, 7 V) joprojām ir lielāka par minimālo sprieguma līmeni, kas noteikts sākotnējā RS-485 standartā ( 4. attēls ).

4. attēls: RS-485 ilgāk par 100 m ilgākiem rūpnieciskajiem kabeļu vadiem var sasniegt 50 Mbits sekundē, atkal izmantojot Cat5e, lai gan acu atvēršana var nebūt tik atšķirīga. (Mērogs pie 5ns / div)

Izmantojot iepriekšēju uzsvaru, uztvērēja veiktspēja - šajā gadījumā Maxim Integrated MAX22500E - var tikt uzlabota tālāk uz šiem lielākajiem attālumiem ( 5. attēls ).

5. attēls: izmantojot iepriekšēju uzsvaru, acu atvēršana ievērojami uzlabojas, ja tā darbojas ar ātrumu 50 m / s virs 100 m, sākot no ± 0, 7 V (mērogā pie 5 ms / div)

Ātrums un attālums ir tādi paši kā 4. attēlā, bet pre-emphasis funkcija palielina sprieguma līmeni tā, ka acs atvēršana diagrammā ir redzami atšķirīgāka.

Šī iespēja nodrošināt iepriekšēju uzsvaru uz datu pārraidi lielos attālumos nodrošina aprīkojuma dizainerus ar papildu elastības pakāpi, lai sasniegtu vēlamo ātruma pret attālumu veiktspēju, izmantojot RS-485 interfeisu.

Mūsdienu RS-485 ierīču, piemēram, MAX22500E, vēlmēm ir 15-V līdz 15-V standarta režīmu diapazons un integrēta ESD aizsardzība ± 15-kV ESD aizsardzībai (cilvēka ķermeņa modelis), ± 7 kV IEC 61000-4-2 Gaisa plūsmas aizsardzība pret ESD aizsardzību, ± 6 kV IEC 61000-4-2 kontaktdiagnostika ESD aizsardzība un vadītāja izvades aizsardzība pret īssavienojumu.

Secinājums
Lai gan RS-485 ir izturīgs un uzticams, pastāv ievērojams kompromiss starp sasniedzamo ātrumu un attālumu. Mūsdienīgie uztvērēji izmanto iepriekšēju uzsvaru un citus paņēmienus, lai nodrošinātu drošu datu pārraidi līdz pat 100 Mbits / s ar 10 metru lielu kabeli un līdz 50 Mbits / s 100 metru attālumā vai nu ar pilnu vai pusduplekso režīmu. Tas nozīmē, ka rūpnieciskās automatizācijas un kontroles iekārtas dizaineri var droši plānot turpmāku RS-485 izmantošanu kā komunikācijas saskarni sarežģītā industriālā vidē tuvākajā nākotnē.