RS-485, мультиклиентная проводная передача данных

Содержание

Назначение и принцип работы 

UART (RS-232) старейший, простейший, универсальнейший и потому заслуженно любимый всеми интерфейс для обмена данными. Позволяет быстро, используя всего два проводка, связать контроллер с датчиком, модемом, другим контроллером и даже компьютером.

Однако, как и все в этом мире, UART, а точнее его аппаратная реализация RS-232, не лишен недостатков. Первый: небольшое расстояние, на котором можно обеспечить уверенный прием и передачу. При крепко спаянном кабеле с солидным экранированием, длина его может достигать лишь несколько метров, далее с каждым метром надежность и скорость падают катастрофически быстро. Второй: работа по принципу точка-точка, то есть соединить можно только два устройства.

Вот был бы способ передавать данные далеко и сразу нескольким! Такой способ есть, интерфейс носит название RS-485. Не будучи идеалом во всем, он предоставляет гораздо более широкие возможности для создания связей между разделенными расстояниями и задачами устройств. Узнать о некоторых возможностях на конкретном рабочем примере попробуем и мы в этой статье.

Технические характеристики и принцип работы 

Аппаратно, интерфейс RS-485 реализуется на наиболее распространенных микросхемах семейства MAX485. Разновидностей в семействе десятки, отличаются они по количеству максимально поддерживаемых устройств, максимальной скорости, расстоянию, порядку передачи дуплекс/полудуплекс и так далее. Рассмотрим самую известную микросхему из этого семейства, которая так и называется - MAX485.

Основные характеристики:

Пользоваться устройством крайне просто: микросхема одним концом присоединяется к аппаратному или программному порту UART контроллера, а другим к шине передачи данных, по которой информация передается в другой микросхеме. Таким образом, с точки зрения конечного устройства, передача данных ничем не отличается от привычной UART.  

Соединение точка-точка:

Соединение нескольких устройств:

Шина данных представляет собой два провода, присоединяемых к одноименным точкам трансивера А или В. Суть технологии в том, что на два этих провода сигналы подаются синхронно но с инверсией, то есть когда на одном 1, на другом 0 и наоборот. Таким нехитрым образом обеспечивается увеличение разности потенциалов и высокая устойчивость к синхфазным помехам, которые воздействуют на оба провода одновременно, при этом не меняя разность потенциалов. Чтобы помехи были как можно более одновременными, провода следует размещать максимально близко друг к другу, то есть свивать в жгут.

Сама микросхема для работы требует несложной обвязки, состоящей из нескольких резисторов, кроме того, конечные трансмиттеры должны содержать гасящий отражения терминальный резистор 120 Ом, в народе известный также как “терминатор”. Для упрощения жизни DIY-мастеров китайские друзья заботливо придумали готовый модуль связи на базе MAX485, он уже содержит все необходимое и готов к работе как есть.

Именно такие модули мы будем использовать для нашего примера.

Подключение к Ардуино 

Со стороны устройства на модуле имеются следующие пины:

●     DI - передача данных, подключается к TX,

●     RO - прием данных, подключается к RX,

●     DE и RE - переключают направление передачи данных, на прием или на передачу, соединяются перемычкой и срабатывают одновременно, 1 - передача, 0 - прием.

Со стороны шины данных:

●     GND - земля,

●     VCC - питание +5 В,

●     A и B, каналы на шину данных.

Упрощенно, принцип организации работы можно описать так: каждое устройство в сети имеет свой уникальный номер, по которому оно определяется и идентифицируется. В сети одно устройство главное, оно же ведущее, остальные сателлиты, они же ведомые. Ведомые изначально молчат и “слушают” сеть. Ведущее, в зависимости от задачи, дает команду ведомым либо (периодически) по таймеру, либо по какому-либо событию. Команду ведущего на шине видят все устройства, но откликаются только те, к кому он обращается по уникальному адресу. Если требуется ответ, ведущее переключается на прослушку, а ведомое на отправку данных, после чего управление снова передается главному. Таким образом обеспечивается последовательная коммуникация со всеми устройствами в сети без пересечений и коллизий. Существуют более сложные технологии взаимоотношений, например, передача статуса ведомого от устройства к устройству, многоуровневые сети и так далее, на что хватит фантазии разработчиков. В этой статье мы рассмотрим пример классической простой сети, состоящей из одного ведущего и двух ведомых устройств с обратной связью.

Рекомендации по разводке сети:

Пример использования

Создадим простейшую рабочую сеть из трех элементов. Роль главного, на правах более внушительных размеров, достается UNO, роли остальных двух равноценных сателлитов исполнят NANO. У каждого из ведомых по одной кнопке и одному светодиоду, у главного две кнопки и два светодиода.

Задача: нажимая на кнопки главного устройства мы должны дистанционно активировать включение светодиодов на соответствующих ведомых. Нажимая же кнопки на ведомых, зажигаем соответствующий светодиод на главном. Логические связи можно изобразить так:

Верхний ряд - светодиоды, нижний - кнопки.

На физическом уровне связи между компонентами выглядят чуть запутаннее, но тоже очень логично.

Три контроллера с тремя модулями RS-485, соединёнными в простейшую сеть.

В реальной жизни схема, собранная мной на макетке, выглядит примерно так:

Заливаем программу в главный:

 byte BUT[2] = {9, 8}; // пины кнопок byte LED[2] = {13, 12}; // пины светодиодов #define IN_OUT 6 // переключатель прием-отправка byte MSG_IN[4]; byte MSG_OUT[4] = {0x10, 0, 0, 0x20}; // шаблон сообщения: 0 - начальный, 1 - адрес сателлита, 2 - команда, 3 - конечный void setup() { for (byte i = 0; i < 2; i++) { pinMode(BUT[i], INPUT_PULLUP); pinMode(LED[i], OUTPUT); } pinMode(IN_OUT, OUTPUT); digitalWrite(IN_OUT, LOW); Serial.begin(9600); } void loop() { post(); // периодическая отправка команд на ведомые if (Serial.available()) { // прием команд от ведомых // delay(1); for (byte i = 0; i < 3; i++) MSG_IN[i] = MSG_IN[i + 1]; MSG_IN[3] = Serial.read(); if (MSG_IN[0] == 0x10 && MSG_IN[3] == 0x20) { // пришло полное сообщение digitalWrite(LED[MSG_IN[1]], !MSG_IN[2]); // выполняем, передаем на светодиод соответствующий адресу состояние пришедшее в команде } } } void post() { static unsigned long timerT; static byte msg_num = 0; if (timerT > millis() - 100) return; // отправляем последовательно каждые 100 мс MSG_OUT[1] = msg_num; MSG_OUT[2] = digitalRead(BUT[msg_num]); msg_num = !msg_num; digitalWrite(IN_OUT, HIGH); // включаем отправку for (byte i = 0; i < 4; i++) { // отправляем 4 байта сообщения Serial.write(MSG_OUT[i]); } delay(5); // ожидаем пока уйдет команда до того, как переключить отправку на прием digitalWrite(IN_OUT, LOW); // переключаемся на прием timerT = millis(); } 

Основные моменты работы программ описаны в комментариях. Сюжет описан выше, технические подробности построчно.

 byte BUT = 2; // пин кнопки byte LED = 13; // пин светодиода #define IN_OUT 6 // переключатель прием-отправка #define ADR 0 // адрес ведомого (для первого ведомого 0, для второго 1)! byte MSG_IN[4]; byte MSG_OUT[4] = {0x10, ADR, 0, 0x20}; // шаблон сообщения: 0 - начальный, 1 - адрес сателлита, 2 - команда, 3 - конечный void setup() { pinMode(BUT, INPUT_PULLUP); pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(IN_OUT, OUTPUT); digitalWrite(IN_OUT, LOW); Serial.begin(9600); } void loop() { if (Serial.available()) { // delay(1); for (byte i = 0; i < 3; i++) MSG_IN[i] = MSG_IN[i + 1]; MSG_IN[3] = Serial.read(); if (MSG_IN[0] == 0x10 && MSG_IN[1] == ADR && MSG_IN[3] == 0x20) { // пришло полное сообщение именно нам! digitalWrite(LED, !MSG_IN[2]); // выполняем, устанавливаем в светодиод состояние пришедшее почтой MSG_OUT[2] = digitalRead(BUT); delay(5); // ждем пока главный переключится на прием digitalWrite(IN_OUT, HIGH); // включаем передачу for (byte i = 0; i < 4; i++) { // передаем Serial.write(MSG_OUT[i]); } delay(5); // ждем пока уйдет сообщение digitalWrite(IN_OUT, LOW); // переключаем на прием } } } 

Заливаем на второй ведомый:

 byte BUT = 2; // пин кнопки byte LED = 13; // пин светодиода #define IN_OUT 6 // переключатель прием-отправка #define ADR 1 // адрес ведомого (для первого ведомого 0, для второго 1)! byte MSG_IN[4]; byte MSG_OUT[4] = {0x10, ADR, 0, 0x20}; // шаблон сообщения: 0 - начальный, 1 - адрес сателлита, 2 - команда, 3 - конечный void setup() { pinMode(BUT, INPUT_PULLUP); pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(IN_OUT, OUTPUT); digitalWrite(IN_OUT, LOW); Serial.begin(9600); } void loop() { if (Serial.available()) { // delay(1); for (byte i = 0; i < 3; i++) MSG_IN[i] = MSG_IN[i + 1]; MSG_IN[3] = Serial.read(); if (MSG_IN[0] == 0x10 && MSG_IN[1] == ADR && MSG_IN[3] == 0x20) { // пришло полное сообщение именно нам! digitalWrite(LED, !MSG_IN[2]); // выполняем, устанавливаем в светодиод состояние пришедшее почтой MSG_OUT[2] = digitalRead(BUT); delay(5); // ждем пока главный переключится на прием digitalWrite(IN_OUT, HIGH); // включаем передачу for (byte i = 0; i < 4; i++) { // передаем Serial.write(MSG_OUT[i]); } delay(5); // ждем пока уйдет сообщение digitalWrite(IN_OUT, LOW); // переключаем на прием } } } 

Примечание: на время заливки программ следует отключить сеть RS-485, иначе одна программа зальется одновременно на все три устройства, так как аппаратный UART у них теперь объединен в единое целое.

Внимательный читатель заметит, что разница между программами сателлитов в одной единственной цифре. А именно - адресе устройства, остальное абсолютно идентично. У главного устройства адреса нет, потому что в данном случае он и не требуется.

Включаем, смотрим результат.

Замечательно, как и задумывалось! Посмотрим как выглядит сигнал со стороны UNO.

Верхняя линия - отправка данных с ведущего, вторая - ответ ведомых, нижняя - переключатель направления. Приблизим и расшифруем один сеанс обмена данными.

Если не обращать внимания на огрызки, принимаемые дешифратором за ошибки, которые ни на что не влияют, видно, что оба сообщения в точности соответствуют тому, что прописано в программе. От ведущего: 0x10 - стартовый байт, 0x00 - адрес обращения, первый ведомый, 0x01 - команда, в данном случае “погасить светодиод”, 0x20 - стоповый байт. Ответ от ведомого: 0x10 - старт, 0x00 - ответ от первого ведомого (теоретически это избыточная информация, т.к. ответ следует сразу после запроса, а запрос мы знаем для кого, но практически это значительно уменьшает вероятность ошибок), 0x00 - зажечь светодиод, 0x20 - стоп. Подобным же образом выглядит следующий за этим обмен со вторым ведомым.

Система работает правильно, но нам всегда есть к чему придраться и куда совершенствоваться. Во-первых, следует избавиться от delay(), даже от таких коротких. Для этого стоит перебрать функцию отправки данных, разбив ее на две части: собственно отправка, запуск таймера на переключение и переключение на прием. Во-вторых, для надежности в пакет данных можно добавить контрольную сумму, еще один байт, величина которого вычисляется из комбинации остальных, а потом сравнивается принимающей стороной. Для данного примера это несущественно, но если требуется доставка команды с гарантией, например на запуск ядерной ракеты, то лучше контрольную сумму добавить. В-третьих, в примере считывание данных о состоянии кнопок происходит прямо в момент отправки данных. В реальных же изделиях такое подходит не всегда, события должны отслеживаться сами по себе, а отправка-прием сообщений сами по себе. Принятая команда тоже не обязана выполняться моментально при приеме, а вдруг это длительная процедура и пока она длится, вся сеть будет висеть в ожидании. Для решения этих задач создается два буфера, один на прием, другой на передачу, данные из которых используются разными частями программы по мере необходимости.

Выводы

Связать несколько устройств в одну сеть для совместной работы не такая уж сложная задача, как может показаться на первый взгляд. Для этого смело пользуйтесь RS-485 удобным, простым, надежным и недорогим аппаратным дополнением к UART. Протокол несложно создать самому под конкретную задачу, а можно использовать готовый, например Modbus, если так привычнее или производится связь со стандартным устройством. RS-485 - еще одна хорошая возможность расширить границы собственного творчества!

FAQ

Одним сегментом нельзя, но можно создать ретрансляторы (устройства, дублирующие сигналы с одной сети в другую и наоборот). Таким образом можно удлинять сеть почти бесконечно.

Вариантов несколько. Можно воспользоваться другими микросхемами из семейства, например MAX1487 (поддерживает до 128 устройств) или MAX1486 (до 256 устройств). Второй вариант - создать многоуровневую сеть, то есть разбить ее на сегменты, связанные в некоторых точках. Трудно сказать, что проще и что выбрать, вопрос решается в каждом случае индивидуально.

Стандартные рекомендации таковы:

• 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),
• 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),
• 500 кбит/с 300 м,
• 1000 кбит/с 200 м,
• 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),
• 10 000 кбит/с 10 м.

Однако подобрать оптимальные значения и убедиться в устойчивости связи можно лишь опытным путем в каждом конкретном проекте.

Аппаратный использовать предпочтительней всегда, но если такой возможности нет, подключайте к программному. Но помните, что у него есть ограничения по максимальной скорости.

Для быстрого прототипирования удобнее и проще использовать готовый модуль, для более серьезных изделий, особенно с большим количеством устройств, лучше разработать схему на MAX. Обратите внимание, “терминатор” нужен только на концевых точках сети, а при использовании модуля он везде, что повышает нагрузку и снижает разность потенциалов с каждым дополнительным устройством.

Да, при правильной разводке, наличии на борту правильного бутоадера и предусмотренной в программе команды на перезагрузку. Таким образом можно осуществлять легкую смену прошивки в устройствах к которым трудно физически подобраться.