Файл: Реферат по дисциплине Микропроцессорные контроллеры.docx
Добавлен: 01.12.2023
Просмотров: 31
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»
Инженерная школа энергетики
НОЦ И.Н. Бутакова
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике и теплотехнике
«Пределы применимости протоколов R- 485, RS- 232, Ethernet в промышленности»
Реферат по дисциплине «Микропроцессорные контроллеры»
| Исполнитель: | | ||||
| студент группы | 5Б93 | | Нагибин П.С. | | 15.04.2023 |
| | | | | | |
| Руководитель: | Захаревич Ю.С. | ||||
| | | | | | |
| | | | | | |
Томск – 2023
Введение
Промышленный сектор в наше время стал наиболее важным элементом экономики, так как он занимается производством товаров и услуг для удовлетворения потребностей потребителей. Современные технологии промышленности требуют эффективной передачи данных в реальном времени. В этой связи существует множество протоколов для передачи данных, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В данном реферате мы рассмотрим протоколы RS-485, RS-232 и Ethernet, описав их характеристики и применимость, а также представим сравнительный анализ возможностей и ограничений.
Задачи, решаемые с помощью серверов последовательных интерфейсов, можно разделить на локальные и сетевые. Первые сводятся к подключению некоего устройства, использующего последовательный интерфейс, к рабочей станции, не оборудованной COM-портом. Вторые можно охарактеризовать как удлинение или объединение последовательных интерфейсов либо объединение устройств с помощью сети Ethernet.
Под обозначениями RS-232, RS-422 и RS-485 понимаются интерфейсы для цифровой передачи данных. Стандарт RS-232 более известен как обычный СОМ порт компьютера или последовательный порт (хотя последовательным портом также можно считать Ethernet, FireWire и USB). Интерфейсы RS-422 и RS-485 широко применяются в промышленности для соединения различного оборудования. Информация, передаваемая по интерфейсам RS-232, RS-422 и RS-485, структурирована в виде какого-либо протокола, например, в промышленности широко распространен протокол Modbus RTU.
Протокол Modbus изначально использовался для подключения ПЛК. Но в настоящее время сфера его применения существенно расширена и включает работу с интеллектуальными датчиками, устройствами в сети TCP/IP и беспроводных сетях. Характерной особенностью подключаемого к сети терминала по протоколу Modbus являются возможность одновременной коммуникации его с несколькими терминалами, соединяемыми по различным интерфейсам.
Основная часть
Протокол RS-485.
Протокол RS-485 – это один из самых популярных протоколов, используемых в промышленных приложениях для передачи данных между различными устройствами. Протокол RS-485 является асинхронным стандартом связи в промышленности и также известен как EIA-485. Этот протокол позволяет соединять до 32 устройств в сеть, при этом удаленность между ними может достигать 1200 метров. Одним из главных преимуществ, использующих протокол RS-485 устройств, является возможность использования только 2 проводов для передачи данных, что снижает необходимость использования большого числа проводов и упрощает монтажные работы.
В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [RS - TIA].
Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data+ и Data-. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).
Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.
Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.
Существует два типа RS-485:
-
RS-485 с 2 контактами, работает в режиме полудуплекс; -
RS-485 с 4 контактами, работает в режиме полный дуплекс.
Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 2).
Недостатком четырехпроводной (рис. 2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.
Рисунок 1 – Подключение RS-485 устройств с 2 контактами
Рисунок 2 – Подключение RS-485 устройств с 4 контактами
Для согласования линии используют терминальные (концевые) резисторы. Величину резистора выбирают в зависимости от волнового сопротивления используемого кабеля. Для систем промышленной автоматики используются кабели с волновым сопротивлением от 100 до 150 Ом, однако кабели, спроектированные специально для интерфейса RS-485, имеют волновое сопротивление 120 Ом. На такое же сопротивление обычно рассчитаны микросхемы трансиверов интерфейса RS-485. Поэтому сопротивление терминального резистора выбирается равным 120 Ом, мощность - 0,25 Вт.
Резисторы ставят на двух противоположных концах кабеля. Распространенной ошибкой является установка резистора на входе каждого приемника, подключенного к линии, или на конце каждого отвода от линии, что перегружает стандартный передатчик. Дело в том, что два терминальных резистора в сумме дают 60 Ом и потребляют ток 25 мА при напряжении на выходе передатчика 1,5 В; кроме этого, 32 приемника со стандартным входным током 1 мА потребляют от линии 32 мА, при этом общее потребление тока от передатчика составляет 57 мА. Обычно это значение близко к максимально допустимому току нагрузки стандартного передатчика RS-485. Поэтому нагрузка передатчика дополнительными резисторами может привести к его отключению средствами встроенной автоматической защиты от перегрузки.
Второй причиной, которая запрещает использование резистора в любом месте, кроме концов линии, является отражение сигнала от места расположения резистора.
При расчете сопротивления согласующего резистора нужно учитывать общее сопротивление всех нагрузок на конце линии. Например, если к концу линии подключен шкаф комплектной автоматики, в котором расположены 30 модулей с портом RS-485, каждый из которых имеет входное сопротивление 12 кОм, то общее сопротивление всех модулей будет равно 12 кОм/30 = 400 Ом. Поэтому для получения сопротивления нагрузки линии 120 Ом сопротивление терминального резистора должно быть равно 171 Ом.
Отметим недостаток применения согласующих резисторов. При длине кабеля 1 км его омическое сопротивление (для типового стандартного кабеля) составит 97 Ом. При наличии согласующего резистора 120 Ом образуется резистивный делитель, который примерно в 2 раза ослабляет сигнал, и ухудшает отношение сигнал/шум на входе приемника. Поэтому при низких скоростях передачи (менее 9600 бит/с) и большом уровне помех терминальный резистор не улучшает, а ухудшает надежность передачи.
В промышленных преобразователях интерфейса RS-232 в RS-485 согласующие резисторы обычно уже установлены внутри изделия и могут отключаться микропереключателем (джампером). Поэтому перед применением таких устройств необходимо проверить, в какой позиции находится переключатель.
В одном сегменте сети RS-485 может быть до 32 устройств, но с помощью дополнительных повторителей и усилителей сигналов до 256 устройств. В один момент времени активным может быть только один передатчик.
Однако, на практике протокол RS - 485 может быть надежным только при определенных условиях. Например, длина линии связи и число успешных передач данных связано с уровнем шумов на линии и скоростью передачи данных. Если порты RS-485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS-485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS-485 имеют гальваническую изоляцию. Если при передаче данных возникает шум, это может привести к ошибкам передачи данных. Также следует отметить, что протокол RS-485 поддерживает только синхронную передачу данных, что усложняет совместимость устройств.
Протокол RS – 232
Интерфейс RS-232 (TIA/EIA-232) предназначен для организации приема-передачи данных между передатчиком или терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и приемником или коммуникационным оборудованием (англ. Data Communications Equipment, DCE) по схеме точка-точка.
Протокол RS - 232 – это один из наиболее старых производственных протоколов, который до сих пор активно применяется в различных промышленных приложениях. Этот протокол используется для соединения компьютера с устройством и обмена данными между ними. Использование протокола RS - 232 позволяет гарантированно передавать данные на удаленное устройство на расстояние до 15 метров. Скорость работы RS-232 зависит от расстояния между устройствами, обычно на расстоянии 15 метров скорость равна 9600 бит/с. На минимальном расстоянии скорость обычно равна 115.2 кбит/с, но есть оборудование, которое поддерживает скорость до 921.6 кбит/с.