Стандарт TIA/EIA-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Associastion). EIA ранее использовала обозначение RS-485. Этот интерфейс соответствует физическому уровню модели OSI. Данный интерфейс не оговаривает протоколы обмена, методы доступа к линии связи, среду обмена, типы разъемов и нумерацию контактов.

    RS-485 предназначен для передачи цифровых данных и используется при построении промышленных сетей, работающих с микропроцессорными контроллерами. Скорость обмена зависит от длины линии связи (1200 м – 62 кбит/с, 10 м – 10 Мбит/с). Средства связи включают кабель, соединители и согласующие резисторы. Кабель RS-485 использует два провода, которые обычно заключаются в экран. Провода кабеля и выводы интерфейса принято обозначать одним из следующих способов: А и B, D+ и D-, Dx+ и Dx-. Относительно экрана сигналы в проводах всегда противоположны по знаку (дифференциальный сигнал), что обеспечивает как минимизацию воздействия этого кабеля на другие системы, так и повышенную устойчивость к внешним помехам. Наиболее часто используется кабель типа "витая пара". Уровень дифференциального сигнала передатчика по абсолютному значению нормируется в границах 1,5…6 В, скорость нарастания выходного сигнала 1,2 В/мкс; чувствительность приемников по стандарту составляет 0,2 В. На рис. 9 приведен пример связи двух приемопередатчиков при использовании одной пары проводов, а на рис. 10 - допустимые значения выходного дифференциального сигнала и обозначения состояний сигнала.

Рис. 9. Связь двух узлов интерфейса RS-485 по двухпроводной цепи

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB), переводит их в цифровой сигнал на выходе. Когда UAB > +0,2 В, тогда приемник определяет "0" (состояния Space – нажатия, ON – включено), когда UAB < -0,2 В - приемник определяет "1" (состояния Марк – отжатое, OFF - выключено). Система обеспечивает подавление синфазной, одинаково воздействующей на оба провода, помехи U_см от +12  до -7 В. Для RS-485 рекомендуется кабель с волновым сопротивлением 100–120 Ом.

    Один передатчик может эффективно управлять только одним кабелем. Скорость распространения электромагнитной волны в кабеле порядка 2 м/нс, а время реакции приемников десятки нс, и при больших длинах кабеля и высокой скорости передачи необходимо считаться с распределенными параметрами линии. В случае, если на конце кабеля отсутствует нагрузка, то вследствие отражения возникает сильное искажение формы сигнала. Для уменьшения отражения на концах кабеля устанавливаются согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлениями, близкими к волновому сопротивлению. Предполагается, что в каждый момент времени может быть активным только один передатчик. Для измерения нагрузки интерфейса введено понятие единичная нагрузка UL (unit load). Максимальное число приемопередатчиков (узлов) составляет 32 UL на один интерфейс. Конструкция приемопередатчиков позволяет им избежать повреждения при коротком замыкании в кабеле. Для повышения надежности кабель, связывающий контроллеры модулей и контроллер подстанции, обычно закольцован, при этом экран подсоединен к контроллеру подстанции и в одной точке кольца разомкнут. Расстояние от кабеля до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

Рис. 10. Логические уровни интерфейса RS-485

Интерфейс RS-485 является асинхронным. В системе АСТМУ-А на канальном уровне используется протокол Modbus RTU. Информационные блоки в этом протоколе оформлены в виде кадров, состоящих из непрерывной последовательности байт (посылок, символов). Каждый байт начинается со стартового бита. Перед выдачей кадра передающая сторона в Modbus формирует одиночный пусковой элемент (интервал тишины со значением логическая единица). Длительность пускового элемента t_ПЭ измеряется в длительностях байта t на данной скорости и принимается не равной целому числу байт ( , для Modbus t_ПЭ=3,5τ). Передача информации начинается с посылки пускового элемента, за которым следует стартовый бит первого байта, выполняющий функции контрольной паузы. Поступление контрольной паузы после пускового элемента обеспечивает запуск тактового генератора на приемной стороне. Его частота обычно в 8…16 раз выше информационной скорости передачи. Приемная сторона проверяет значения принимаемого сигнала примерно в середине ожидаемого бита. Такой протокол обеспечивает защиту системы от сбоев и обеспечивает необходимую циклическую синхронизацию. На рис. 11 показана синхронизация генератора приемника. Все байты кадра должны следовать без пауз друг за другом. В случае, если в середине кадра возникнет интервал тишины длительностью более 1,5 τ, в приемном устройстве принятая часть сообщения сбрасывается и следующая часть информации воспринимается как начало следующего сообщения.

Наиболее часто RS-485  используется в полудуплексном режиме. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков (в каждый момент может работать только один из них) и до 32. Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому, образуя шинную топологию. Возможна организация обмена по интерфейсу RS-485 с использованием двух пар проводов. В этом случае одна пара используется для передачи данных (TxD+ и TxD-), а другая – для приема (RxD+ и RxD–), при этом прием и передача могут осуществляться одновременно (полнодуплексный режим).

Интерфейс TIA/EIA-422 Standard (RS-422A)

    Интерфейс RS422А – обладает меньшими возможностями по сравнению с RS485, нагрузочная способность его передатчиков меньше. Стандарт TIA/EIA-422  (V.11 и Х.27) определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Дополнением к RS-422A является стандарт RS-449 (V.36), содержащий информацию о параметрах сигналов, типах разъемов, расположении контактов.

Рис. 11. Синхронизация приемника и селекция принимаемых данных

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику (driver) и до 10 приемников (receivers) с единичной нагрузкой. Пример организации связи между двумя станциями приведен на рис. 12. По данному стандарту обычно строятся сети по радиальной структуре. Но выпускаются также приемо-передатчики, обеспечивающие совместимость с RS-485 и работающие в магистральных схемах. Это достигается добавлением возможности перевода выхода передатчика в состояние высокого сопротивления, что обеспечивает двунаправленную передачу по одной паре проводов.

Рис. 12. Интерфейс EIA RS-442A

G – передатчик , R – приемник, DI – входные данные, DO –выходные данные

       Большинство электрических характеристик стандартов RS-485 и RS-422 одинаковы. Отличия отдельных параметров приведены в табл. 8.

Табл. 8

Различия параметров  RS-485 и RS-422А

Протокол MODBUS

Общие сведения

Протокол передачи – формализованный набор правил, полностью определяющий порядок взаимодействия устройств или процессов друг с другом. Протокол определяется перечнем передаваемых сигналов, процедурой обмена этими сигналами, форматами сигналов и правилами кодирования каждого поля формата.

Для построения систем автоматизации с использованием микропроцессорных контроллеров используются более десятка протоколов, различающихся надежностью, функциональностью, быстродействием, стоимостью. Один из самых распространенных в автоматизации электротехнических устройств Modbus — коммуникационный протокол фирмы Gould Modicon Inc. для использования в системах с контроллерами. Существует несколько модификаций протокола с различными требованиями к лицензированию. Так модификация FreeModbus не требует лицензирования, а Modbus Plus требует лицензирования. Выделяют три разновидности протокола: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP. Ограничимся рассмотрением протокола Modbus RTU, который применен в системе АСТМУ-А. Этот режим поддерживает требования стандарта IEC 870-5 (уровень 2, канальный). Для передачи данных интерфейс не определен, обычно используется RS-232C, RS-422, RS-485 или токовая петля 20 мА. В АСТМУ-А токовая петля не используется. Подробное описание протокола приведено в [7, 8].

Данный протокол определяет требования к канальному (второму) и прикладному (седьмому) уровню модели OSI. Протокол предполагает в линии одно активное (ведущее, запрашивающее, главное) устройство Master, которое может обращаться к нескольким пассивным (подчиненным) устройствам Slave по уникальному в линии адресу. Синтаксис команд протокола позволяет адресовать 247 устройств. Инициатива проведения обмена всегда исходит от ведущего устройства. Ведомые устройства прослушивают линию связи. Master подает запрос в линию и переходит в состояние прослушивания линии связи. Ведомое устройство отвечает на запрос, пришедший в его адрес.

Окончание ответной посылки Master определяет, вычисляя временные интервалы между окончанием приема предыдущего байта и началом приема следующего. Если этот интервал превысил время, необходимое для приема двух байт на заданной скорости передачи, прием кадра ответа считается завершенным.