Выбор кабеля для RS − 485 (лекция 5 )

1. Выбор кабеля

RS-485

2. Выбор кабеля для RS−485

Основными параметрами, определяющими
критерии выбора кабеля, являются:
скорость обмена, которая определяет
длительность информационного бита (Tb);
минимальный уровень сигнала на входе
приемника, необходимый для распознавания
передаваемых двоичных состояний;
максимально допустимый уровень искажений
сигнала;
максимальная протяженность линии связи.

3.

• Длительность информационного бита (Tb)
определяется минимально допустимым интервалом
времени между переходами передаваемых двоичных
состояний.
• Если напряжение сигнала в линии не успевает достичь
уровня, соответствующего передаваемому двоичному
состоянию до появления следующего перехода,
указанный переход появится на входе приемника с
некоторым временным сдвигом, который приводит к
возникновению межсимвольных искажений.
• При выборе кабеля должно быть учтено отношение
длительности переднего фронта к длительности
информационного бита (tr/Tb) в точке подключения
наиболее удаленного приемника.

4.

• Уровень сигнала, присутствующий на входе приемника,
должен быть не менее его порога чувствительности.
• Минимальное значение входного напряжения должно
выбираться с запасом в зависимости от интенсивности
помех, воздействующих на линию связи и на приемник,
допустимой вероятности появления ошибок, а также от
допустимого уровня искажений сигнала на входе
приемника.
• Для определения параметров кабеля необходимо
задаться минимальным уровнем сигнала на входе
самого удаленного приемника с учетом перечисленных
факторов.

5.

• Искажения сигнала определяются его
временным сдвигом относительно положения
при передаче в идеальных условиях.
Количественно искажения выражаются в
процентах от полной длительности
информационного бита.
• При выборе кабеля следует учитывать
допустимый уровень искажений на входе
приемника, расположенного в самой
удаленной точке линии связи.

6. Влияние среды обмена

Разработчик системы передачи данных должен
учитывать тот факт, что на качество ее
функционирования могут оказывать влияние
следующие факторы:
наведенные на линию связи помехи;
разность потенциалов земли в местах
размещения технических средств системы;
активные и реактивные потери мощности;
отражение сигналов от приемника, которые
могут возникать при высоких скоростях
обмена.

7.

• Степень влияния электромагнитных помех
и разности потенциалов земли зависит от
условий, в которых функционирует
система, и ее эффективность определяется
многими факторами, в том числе
сбалансированностью или симметрией.

8.

• Активные и реактивные потери зависят от
качества применяемого кабеля. Отражения
являются результатом внесения каждым
устройством реактивных составляющих в
эквивалентную нагрузку, подключенную к
выходу формирователя, находящегося в
активном состоянии. При этом реактивные
составляющие преимущественно имеют
емкостный характер.

9.

• Стандарт описывает устройства, способные
функционировать в широком диапазоне скоростей
обмена (до 10 Мбит/с).
• Разработчик системы должен учитывать, что даже при
невысоких скоростях обмена, например 19,2 кбит/с,
длительности переднего и заднего фронтов
информационного бита могут составлять не более 10нс,
а приемники могут иметь еще более высокое
быстродействие.
• Таким образом, если не приняты специальные меры, то
даже кратковременные помехи могут привести к
нарушению целостности потока передаваемых данных,
в том числе при низких скоростях обмена.

10. Электромагнитные помехи и симметрия параметров канала связи

• Устойчивость системы связи к электромагнитным
помехам, возникающим в результате наличия
паразитных индуктивных или емкостных связей
источников помех со средой обмена, отчасти
определяется степенью асимметрии (или
дисбаланса) промышленных и сосредоточенных
параметров линии связи относительно земли.
• Интенсивность помехи, действующей между двумя
проводниками кабеля, определяется степенью
асимметрии полного импеданса относительно
земли. Рассмотрим структуру, состоящую из
активного генератора, который расположен в одной
из самых удаленных точек линии связи.

11.

• В противоположной наиболее удаленной точке
линии связи располагается несколько приемников и
формирователей, пребывающих в пассивном
состоянии и представленных в виде эквивалентной
мостовой схемы, показанной на рисунке
RS/
2
ZB
En
G
RS/
2
ZA
R
ZC
Еi

12.

• Поскольку формирователь в активном состоянии
имеет малое выходное сопротивление, на низких
частотах можно считать, что синфазная
составляющая помехи прикладывается к каждому
входу эквивалентной мостовой схемы приемника
через сопротивление Rs/2.
• Для указанной эквивалентной схемы степень
асимметрии определяется отношением
интенсивности помехи общего вида Ei к
напряжению помехи Еn, наведенной между
проводниками кабеля на входе эквивалентной
схемы приемника:
Ei
B 20Log
En

13.

• Симметрия канала наиболее существенна в
области высокочастотных составляющих
передаваемого сигнала, которые лежат в
полосе пропускания приемника.
• Разница значений емкости между каждой
входной клеммой приемника и землей,
составляющая всего лишь несколько
пикофарад, может привести к значительной
асимметрии канала, если применяемый
приемник имеет полосу пропускания порядка
сотен МГц.

14.

• Например, для 10 приемников, подключенных к кабелю,
волновое сопротивление которого составляет 120 Ом,
наличие разности емкостей между входными клеммами
каждого из них и землей, равной 10 пФ, приведет к
асимметрии канала на частоте 10 МГц, составляющей
около 10 дБ.
• На более высоких частотах (например, 50 МГц)
конфигурация системы будет аналогична
однопроводной с общим обратным проводом, которая
лежит в основе интерфейса RS−232C.
• В связи с этим, настоятельно рекомендуется
использовать экранированную витую пару. Это
обеспечит как симметрию линии связи, так и
повышение устойчивости к электромагнитным помехам.

15. Дополнительные требования к реализации заземления

• Для правильного функционирования цепей
формирователя и приемника при обмене данными
оборудование системы должно иметь общую землю.
• Цепь заземления может быть выполнена двумя
способами:
1. непосредственным присоединением общих
проводов каждого устройства к точкам, имеющим
нулевой потенциал. Это допустимо только при
гарантированном равенстве потенциалов земли
устройств.
2. при помощи дренажного проводника кабеля.

16.

• При реализации цепи сигнального заземления
вторым способом с сигнальным общим проводом
каждого устройства через резистор 100 Ом, который
предназначен для ограничения блуждающих токов,
когда в целях безопасности применяются другие
цепи заземления.
• При использовании экранированного кабеля, экран
должен быть соединен с корпусом оборудования
только в одной наиболее удаленной точке
размещения технических средств системы.

17. Общие рекомендации

1. Лучшей средой передачи сигнала является кабель на
основе витой пары, поскольку обладает наименьшим
паразитным излучением сигнала и хорошо защищен от
наводок. В условиях повышенных внешних помех
применяют кабели с экранированной витой парой, при
этом экран кабеля соединяют с защитной "землёй"
устройства.
2. Концы кабеля должны быть заглушены
терминальными резисторами.
3. Сеть должна быть проложена по топологии шины, без
ответвлений.
4. Устройства следует подключать к кабелю проводами
минимальной длины.

18. Методика определения параметров кабеля

1.
2.
3.
Исходя из скорости протекания технологического процесса,
технологии промышленной сети, производительности
управляющего контроллера, задать периодичность опроса
датчиков и посылки управляющих сигналов на
исполнительные устройства.
Исходя из расположения технологического оборудования,
датчиков, исполнительных механизмов, устройств сбора
технологических управляемых параметров, контроллера
управления, определить длину кабеля (L), необходимого для
передачи цифровой информации.
Зная L и учитывая время двойного оборота сигнала по кабелю
при указанном протоколе промышленной шины, определить
скорость обмена данными (скорость распространения
электрического сигнала по кабелю принять равной 0,7
скорости света).

19.

4. Исходя из вычисленной скорости обмена, определить
длительность информационного бита Tb
5. Задать минимальное напряжение сигнала (U0), которое
должно присутствовать на входе самого удаленного
приемника (определяется параметрами приемника,
обычно не ниже 0,1В).
6. Задать максимальный допустимый уровень искажений
сигнала (δ %) на входе самого удаленного приемника.
7. Вычислить максимальное допустимое значение
омического сопротивления кабеля длиной L
8. Вычислить погонное сопротивление кабеля

20.

9. Руководствуясь справочными данными, выбрать кабель,
волновое сопротивление которого равно принятому в п. 7, а
погонное сопротивление − не более вычисленного в п. 8.
10. Вычислить длительность переднего фронта импульса
(время нарастания сигнала от 10% до 90% его максимального
уровня), учитывая параметры выбранного кабеля
11. Определить величину отношения длительности переднего
фронта импульса к длительности всего информационного бита
Тс = tr/Tb.
12. По заданному U0 и вычисленному Тс, из графиков на рисунке
установить реальное значение уровня искажений сигнала на
входе самого удаленного приемника (δр%).

21. График зависимости уровня искажений сигнала на входе приемника от U0 и Tc

22.

13. Если полученный уровень искажений
превышает допустимый, согласно п. 6,
следует повторить расчет, выбрав кабель с
другими параметрами. При этом кабель
должен иметь меньшие значения погонного
сопротивления и погонной емкости, чем
выбранный в п.8.
14. Если не удается выбрать кабель с лучшими
параметрами, следует снизить значение
скорости обмена либо сократить
протяженность линии связи.

23. Зависимость скорости обмена от протяженности линии

24. Определение максимальной скорости передачи данных

• В реальных условиях зачастую приходится
решать обратную задачу, а именно: по
имеющимся техническим характеристикам
приобретенных приемопередатчиков,
установленной протяженности линии связи
и параметрам стандартного кабеля
определять максимально возможное
значение скорости передачи данных.

25. Варианты заданий

Общие данные
δ,%
5
Umin, В
1,5
RВХ, кОм
12
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Датчики, шт
10
9
7
8
10
10
7
8
9
8
Механизмы, шт
7
10
5
7
6
8
8
10
8
5
U0, В
0,7
0,5
1
0,5
0,7
1
0,5
1
0,7
0,7
RВ, Ом
100
120
150
120
120
120
100
150
120
150

26. Ход работы

1. Начертить схему промышленной сети, определить L, м
2. Вычислить сопротивление кабеля R1, Ом
RВ (U min U 0 )
R1
U0
3. Определить погонное сопротивление rk , Ом
R1
rk
L
4. Выбрать кабель по справочнику
параметры: r*k (Ом/м), Ск (пФ/м), RB (Ом)

27.

5. Вычислить длительность переднего фронта
импульса tr , сек
tr 2,2 Rэкв Ck L
Rэкв L r
*
k
1
n
2
Rвх RB
6. Исходя из выбранной скорости обмена, определить
длительность информационного бита Т0 , сек
1
T0
C
где С - скорость передачи данных по варианту,
бит/сек

28.

7. Определить величину отношения
длительности переднего фронта импульса
к длительности всего информационного
бита Тс
Т с = t r /T0 .
8. Определить уровень искажений δ%,
принимаем
δ% = Тс·100%

29. +6

• 9. Определить максимальную скорость передачи
данных С, бит/сек с учетом разброса параметров
кабеля tr min и tr max, сек
tr min 2,2 ( RВ RВ ) Ck L
tr max 2,2 ( RВ RВ ) Ck L
• где RВ - разброс волнового сопротивления, Ом
Cmin
TC
t r max
Cmax
C Cmin Cmax
TC
t r min

30. Кабель для RS-485

• Кабели для промышленной сети ProfiBus-DP в
соответствии со стандартом EN 50170
• Кабели для промышленной сети ProfiBus-PA и
Foundation Fieldbus
• Кабели в соответствии со стандартом EIA-485
(RS-485)
• Кабели для локальных компьютерных сетей
категории 5е