Последовательные асинхронные интерфейсы RS-422 и RS-485. Назначение, форматы передачи данных, основные технические характеристики

В интерфейсах RS-422 и RS-485 устранены недостатки интерфейса RS-232, который широко используется в персональных компьютерах. В основе построения интерфейсов RS-422/RS-485 лежит принцип дифференциальной передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам, скрученных между собой и образующих витую пару. Обычно один провод условно именуют как ‘A’, а другой – ‘B’. Полезным сигналом является разность потенциалов между проводами A и B: U_A – U_B = U_AB. Для организации интерфейсов необходимы линейные передатчики с дифференциальными выходами и линейные приемники с дифференциальными входами.

На рис. 1 приведено условное изображение линейного передатчика интерфейсов RS-422/RS-485 и временная диаграмма его выходного сигнала. Передатчик выдает напряжение от 2 до 6 В между выводами A и B. Передатчик также имеет вывод C общей точки (провода) схемы. В отличие от интерфейса RS-232C общий провод здесь не используется для определения состояния линии данных, а применяется только для присоединения сигнального заземления. Если на выходе передатчика 2 < U_AB < 6 В, то это соответствует логическому 0, а диапазон -6 < U_AB < -2 В соответствует логической 1.

Рис. 1. Передатчик интерфейсов RS-422/RS-485:

а) - условное обозначение; б) - временная диаграмма выходного сигнала U_AB

Линейный передатчик интерфейса RS-485 должен обязательно иметь вход управляющего сигнала «Разрешение». Назначение этого сигнала – соединять выходы передатчика с линейными выводами A и B. Если сигнал «Разрешение» находится в состоянии «Выключено» (обычно логический 0), то передатчик будет отсоединен от линии. Состояние отключения линейного передатчика обычно называют его третьим или Z-состоянием.

Дифференциальный приемник анализирует сигналы из линии связи, поступающие на его входы A и B. Если на входе приемника U_A – U_B = U_AB > 0,2 В, то это соответствует логическому 0, если U_A – U_B < -0,2 В, то это логическая 1. Диапазон | U_A – U_B | < 0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезисом), защищающей от воздействия помех. Линейный приемник также должен иметь вывод C общего провода схемы, чтобы выполнить сигнальное заземление.

Применение дифференциального метода передачи сигналов обеспечивает хорошую помехоустойчивость интерфейсов. Для аппаратной реализации интерфейса используются микросхемы приемопередатчиков (трансиверов) с дифференциальными входами/выходами, подключаемыми к линии, и цифровыми входами/выходами, подключаемыми к модулю UART микроконтроллера.

Сравнение интерфейсов RS-422 и RS-485. Стандарт определяет RS-422 как двухточечный интерфейс с одним передатчиком и до десяти приемников. На рис. 2 приведена схема подключения устройств к линиям интерфейса для симплексного (одностороннего) обмена. Для дуплексного обмена нужна вторая пара проводов с таким же подключением устройств.

Рис. 2. Подключение устройств к линии связи интерфейса RS-422

Стандарт определяет RS-485 как многоточечный интерфейс, допускающий присоединение к одной линии до 32 передатчиков, приемников или их комбинаций. На рис. 3 приведена схема подключения устройств к линиям интерфейса для полудуплексного обмена. Дифференциальные входы приемников интерфейсов RS-422/485 защищают от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение общих точек C устройств между собой и с шиной заземления. При большой протяженности линии связи для соединения общих точек используется дополнительный третий провод интерфейса. Если применяется экранированная витая пара, то экран можно использовать в качестве третьего провода.

Рис. 3. Подключение устройств к линии связи интерфейса RS-485

Согласование сопротивлений в линии связи. При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. При этом искажаются передаваемые сигналы за счет отражения сигналов на концах линии связи.

Известно, что любая линия электрической связи характеризуется волновым сопротивлением, которое определяется только ее параметрами: площадью и формой сечения проводов, их взаимного расположения, толщины и типа диэлектрика между ними. Если подключить к концу линии резистор, имеющий сопротивление равное волновому, сигнал от него отражаться не будет. Такая линия называется согласованной. Искажения в ней минимальны. Согласующий резистор R_C устанавливается на том конце линии, в сторону которого передается сигнал. В интерфейсе RS-422 он расположен на противоположном от передатчика конце линии (см. рис. 2). В интерфейсе RS-485, если передача идет в двух направлениях, согласующие резисторы R_C устанавливаются на обоих концах линии связи (см. рис. 3). Применяемые в настоящее время витые пары имеют волновое сопротивление порядка 120 Ом, поэтому сопротивление согласующих резисторов также берется величиной 120 Ом. Термин «согласующий» резистор не является общепринятым. Часто вместо него используются термины: оконечный или терминальный резистор.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсам RS-422/RS-485 определяется множеством факторов: длиной и параметрами линии связи, параметрами приемников и передатчиков. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 12 м) ограничивается быстродействием передатчиков и по стандарту равна 10 Мбит/с. На средних расстояниях (десятки и сотни метров) скорость передачи уменьшается из-за возрастания потерь в емкостях изоляции кабеля и активных сопротивлений проводов. Так, например, при длине линии 120 м максимальная скорость передачи не превышает 1 Мбит/с. Максимальная длина кабеля связи по стандарту ограничена величиной 1200 м, при этом скорость передачи не превышает 100 Кбит/с.

Достоинством интерфейсов RS-422 и RS-485 являются: дешевизна соединительных кабелей; дешевизна реализации трансиверов; большой парк работающего оборудования, реализующего эти стандарты; возможность организации гальванической развязки.

Недостатком интерфейсов является то, что они отсутствуют в стандартной комплектации компьютеров и микроконтроллеров. Интерфейсы имеют довольно значительное энергопотребление и относительно невысокую скорость передачи данных.