Подключение rs 485 к ethernet
Обновлено: 04.07.2024
По стандарту RS-485 в сети может быть только одно Мастер-устройство. Что делать, если нужно подключить два мастера и еще опрашивать подчиненные устройства одновременно?
Такая ситуация обычно происходит, когда нужно подключить дублирующий контроллер или SCADA-систему.
Подключаем 2 Мастера к шине RS-485
Универсальное решение для протокола 1 запрос — 1 ответ
Данная схема будет работать если протокол подразумевает работу по принципу 1 запрос - 1 ответ . Подходит для любого протокола в сети RS-485, например DCON, Modbus RTU или Profibus DP.
Нужно поставить устройство, которое будет выполнять роль арбитра и управлять очередностью команд.
Решение 1: Шлюз tSH-735 от ICP DAS в режиме Serial Sharer
В tSH-735 задается временная задержка, которая позволяет разделить по времени запросы от Мастер устройств. Причем tSH-735 может работать не только с протоколом 1 запрос - 1 ответ, а также с Modbus RTU в режиме Modbus Sharer .
Решение 2: NPort 6450 от MOXA c 4 СОМ портами
COM-порт для Slave-устройства настраиваем в режим TCP Server и включаем функцию command-by-command .
Два других COM порта настраиваем в режим TCP Client и указываем IP-адрес/TCP-порт для Slave порта.
Два Modbus-мастера в сети RS-485: решения для протокола Modbus RTU
Можно использовать tSH-735 в режиме Modbus Sharer или Modbus-шлюз MDC-714 .
Шлюз MDC-714 активно опрашивает подчиненные устройства и сохраняет эти данные во внутренний буфер. Мастер устройства на RS-485 с Modbus RTU и на Ethernet с Modbus TCP будут забирать данные из буфера самого шлюза, а не с конечных устройств, что также ускоряет получение данных.
Аналогичным решением на 8 и 16 СОМ портов для Modbus протокола может стать MGate MB3660 .
MGate MB3660 имеет несколько режимов работы, подробнее можно узнать из статьи.
Подключаем два Мастера к шине RS-485 через Ethernet
Решение для протокола 1 запрос - 1 ответ
Вариант подключения двух Мастер устройств с интерфейсом Ethernet с протоколом 1 запрос - 1 ответ к шине RS-485 возможен через преобразователь интерфейсов Ethernet в RS-485.
В этом случае подойдет любой NPort в серии NPort 6000 с поддержкой функции command-by-command . Серия NPort 5000 не подойдет, т.к. при одновременной отправке данных с Ethernet, на СОМ порте NPort 5000 возможно перемешивание данных и возникновение ошибок в данных.
Решение для Modbus RTU и Modbus TCP протоколов
Подобную схему для протокола Modbus лучше реализовать на Modbus шлюзах, т.к. NPort не следит за протоколом. NPort не конвертирует Modbus RTU в Modbus TCP, он может передать данные как есть, иногда этот режим называют Modbus RTU over TCP.
Для реализации такой схемы подойдут шлюзы MDC-714 или MGate MB3660 с активным опросом, что значительно ускоряет получение данных от конечных устройств.
Также можно использовать обычные шлюзы с конвертацией Modbus протокола на лету, подойдут шлюзы из серии tGW-700 и серии MGate MB3000 .
Два мастера на разных интерфейсах
Вариант схемы с двумя Мастер устройствами на разных интерфейсах RS-485 и Ethernet, например Modbus RTU и Modbus TCP, реализуется через шлюзы: MDC-714 , MGate MB3660 и MGate MB3270 .
Общие рекомендации по работе с устройствами
При использовании устройств с протоколом 1 запрос - 1 ответ (в том числе Modbus) придется тестировать работу арбитра и вносить корректировки в настройки Мастер устройства.
Т.к. два Мастер устройства пытаются одновременно опросить одного или нескольких подчинённых устройств, то необходимо снизить частоту опроса подчиненных устройств на стороне обоих Мастеров, обычно в 2 раза.
Также придется увеличить время ожидания ответа от подчиненных устройств, из-за задержек на работу арбитра и длинны самой линии RS-485, обычно подбирается экспериментальным путем.
При работе арбитра возможны появления ошибок из-за склеивания ответа с запросом или неправильной отправке ответа Мастеру, потому что арбитр не следит за протоколом. Поэтому требуется дополнительная настройка и проверка работы, а для Modbus протокола лучше использовать специальные Modbus шлюзы, которые уменьшают вероятность возникновения ошибки.
Данный пост посвящён DIY разработке Ethernet-RS485 шлюза. Цель данного шлюза – обеспечение централизованного управления нодами Mysensors со стороны контроллера умного дома.
Недавно меня таки достали провода, дюпоны, навесная пайка и т.п. и было принято давно оттягиваемое решение — сделать свои платы с нуля, т.е. всё по серьёзному. :)
Сказано — сделано!
Первым делом была разработана и нарисована принципиальная схема шлюза, в которой я постарался учесть все свои хотелки и пожелания. Далее произведена компоновка и подгонка платы под требуемые размеры (50x50мм). И последний этап, это заказ плат на производстве. Я заказывал на фабрике JLCPCB, 5 плат — 2$ + доставка.
Данный шлюз построен на базе МК STM32F103CB(8)T6. В качестве Ethernet чипа выступает достаточно известная микросхема от WIZnet — W5500. Транспортом данного шлюза в сети Mysensors является проводной интерфейс RS485. В качестве драйвера RS485 был выбран чип — MAX13488EESA+T, в том числе и в связи с наличием у него режима автоматического выбора направления приёма/передачи.
Итак пройдёмся поподробнее по основным частям шлюза.
Сердцем шлюза является МК STM32F103CBT6 в корпусе 48LQFN. МК построен на ядре Cortex-M3, имеет 128Кб встроенной флэш памяти и 20Кб ОЗУ. Штатная частота МК — 72МГц, но если не использовать встроенный USB порт, то частоту можно разогнать и до 128МГц, он на ней вполне стабильно работает. МК питается от 3.3В. Для полноценной работы нужны два кварца, на 8МГц и 32.768КГц. Для программирования и отладки имеется интерфейс SWD. МК можно заменить и на STM32F103C8T6, он на данный момент по памяти вполне проходит.
Ethernet чип W5500. Внутри имеет ядро Cortex M0, для связи с внешним миром присутствует порт SPI (скорость до 80 МГц). При скорости 100Mbps Full Link имеет потребление в 132мА. Есть поддержка Wake on LAN, для обозначения своего режима умеет управлять 4 светодиодами 4 (SPD / DUP / ACT / Link). В наличии 32 кбайт буферной памяти RAM для обеспечения процесса передачи TCP/IP пакетов, аппаратно обеспечивает до 8 независимых TCP/UDP сокетов (канальных соединений). Аппаратно поддерживает следующие коммутационные протоколы обработки проводного TCP/IP стека: TCP, UDP, MAC, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE. Диапазон рабочих температур -40. 85°C. Напряжение питания — 3.3В.
И наконец драйвер RS485 — MAX13488EESA+T. Микросхема в корпусе SOIC-8 150mil. Скорость передачи данных до 16 Mb/s. Рабочее напряжение — 5В, потребляемый ток — 4.5 мA. Позволяет подключать до 128 узлов на одну линию RS485. Из главных особенностей это возможность включения режима автоматического определения направления приёма/передачи, т.е. данный драйвер может подключаться напрямую к порту UART и всё! Никаких лишних телодвижений совершать не надо.
Принципиальная схема шлюза разбита на три части:
Схема RS485 части шлюза.
Схема МК и его периферии.
Схема части Ethernet.
Т.к. шлюз в сети Mysensors является единой точкой отказа, то к нему предъявляются повышенные требования по надёжности и безопасности. И в первую очередь он должен быть гальванически развязан от самой линии RS485. Для гальванической развязки линии данных была установлена микросхема — цифровой изолятор от TEXAS INSTRUMENTS — ISO7321CDR. Для развязки по питанию был использован изолированный DC/DC преобразователь от Traco Power – TME0505S. Защита драйвера RS485 от высоковольтных импульсов при необходимости реализовывается отдельной платой. Единственно, в виду своей компактности был оставлен защитный диод (подавитель ЭСР) VD1.
В результате многочисленных оптимизаций и передвижек, был получен следующий результат.
Теперь поподробнее о схеме. Для функционирования шлюза, от МК нам необходим один порт USART и один порт SPI. МК STM32F103CBT6 имеет 3 порта USART с максимальной скоростью до 4.5Mbits/s. И два SPI порта. В результате компромисса (компоновка деталей на плате), для взаимодействия с драйвером RS485 был выбран порт USART1 (ноги PB6, PB7 с ремапом). А для взаимодействия с W5500 — порт SPI1 (ноги PA4-7).
Хоть это и шлюз, но чтобы не пропадать добру на плате были разведены практически все пины МК, разведён ресет, и два светодиода (один из них RGB). Сделаны две площадки под микросхемы, одна под I2C EEPROM и вторая для цифрового термометра/измерителя влажности HDC1080. Термометр конечно будет измерять общую температуру по больнице, так как он установлен рядом с двумя чипами, но мало ли, вдруг кому понадобиться.
Для питания платы необходимы 5В, которые можно подать через разъём microUSB, либо через разъём Power. 5В питание необходимо драйверу RS485, микросхеме гальванической развязки и DC/DC преобразователю. Т.к. МК STM32 и Ethernet чип требуют питания 3.3В, на плате предусмотрен LDO регулятор — на базе микросхемы LDL1117S33R. На линиях питания 5 и 3.3В установлены танталовые и керамические конденсаторы. Большинство используемых смд компонентов — 0603.
Т.к. у всех всегда ситуации и подходы бывают разные, то некоторые вещи оставлены на откуп
пользователю. Если нам не нужна гальваническая развязка от линии RS485, то мы можем не устанавливать изолирующий DC/DC преобразователь — D1, микросхему опторазвязки — D3. В таком случае надо напаять "соплей" в предназначенные для этого места на плате.
По необходимости устанавливаем резисторы R31, R32 и R2, защитный диод VD3.
При первом включении на столе, шлюз нормально видел ноду, прошивки в неё залетали за 30 секунд, всё было хорошо. И да, планируемая мной скорость сети RS485 — 0.5-1Mbit. В доме будет 1Mbit, на улице 0.5Mbit. Так вот когда я поставил шлюз на его рабочее место в серверную, а ноду подключил к устройству на улице, я вполне ожидаемо столкнулся с тем, что они друг друга не увидели. С помощью осциллографа я мог наблюдать весьма удручающую картину линии RS485, но пара подтягивающих резисторов R31 и R32 быстро решила данную проблему. На фото шлюза, данные резисторы подпаяны проводками. Дело в том, что изначально я не планировал ставить их на шлюз, т.к. они нужны только на концах линии RS485, а шлюз у меня планировался в середине. Но когда подключена только одна нода, они всё же нужны и поэтому они были добавлены во второй ревизии. Терминирующий резистор на 120Ом устанавливается прямо в разъём RS485, так его проще переносить от устройства к устройству при наращивании линии.
Как это ни удивительно, но плата первой ревизии показала полную работоспособность и стабильную работу. За несколько месяцев не произошло ни одного зависания. Но с другой стороны ещё не было и гроз, а данный шлюз у меня смотрит как-раз на улицу.
Но — поживём увидим! :)
Таким образом была выполнена основная задача — создать компактный, высокоскоростной и надёжный Ethernet-RS485 шлюз. Чтобы не расплываться мыслями по древу, статья сосредоточена только на железной части, а программная часть сознательно вынесена за скобки.
С радостью отвечу на конструктивные вопросы.
PS Моя первая разработанная плата — универсальная нода Mysensors для сети RS485. Она про наполнению и разработке гораздо сложнее и интереснее данного шлюза. Если данная тема будет интересна, то моя следующая статья будет о ней.
В большинстве случаев схемы на микроконтроллерах используются для связи с периферийными устройствами (датчиками, дисплеями, реле и т.п.) на небольшие расстояния – обычно в пределах нескольких сантиметров. В этих случаях для связи используются обычные провода и нет необходимости беспокоиться о затухании сигнала, действующих шумах и искажениях сигнала. Но если вам понадобится осуществить связь на расстояние хотя бы больше 10 метров, то в этом случае вам уже придется задуматься о мощности передаваемого сигнала, его затухании и воздействии на него шумов – без учета этих вопросов вам не удастся обеспечить надежную связь.
В этой статье мы рассмотрим использование протокола RS485 для связи на большие расстояния. Протокол RS485 достаточно часто используется для связи на значительные дистанции в условиях воздействия сильных индустриальных помех, поэтому он хорошо подойдет для решения стоящей перед нами задачи. В данном проекте мы будем использовать модуль MAX485, подключаемый к плате Arduino Nano, для реализации передачи данных на большие расстояния. Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали использование протокола RS485 для связи между двумя платами Arduino и для связи между платами Arduino и Raspberry Pi.
Различие между UART и связью по протоколу RS485
Большинство современных электронных устройств (модули GPS, Bluetooth, RFID и т.п.) и микроконтроллеры используют для последовательной связи UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронный приёмопередатчик) на логике TTL. Одним из его достоинств является то, что он требует всего 2 провода (TX (Transmitter - передатчик) и RX (Receiver - приемник)) для осуществления связи. UART не является стандартным протоколом связи, но он представляет собой физическую цепь, по которой вы можете последовательно передавать/принимать данные периферийным устройствам. UART использует последовательную передачу данных, поэтому перед передачей данные необходимо преобразовать из параллельной формы в последовательную.
UART является асинхронным устройством, что означает что он не использует синхронизацию (импульсы синхронизации) для передачи данных от передатчика к приемнику, вместо этого он использует стартовые и стоповые биты, благодаря которым приемник может распознавать начало и конец передачи данных. В UART передача данных организована с помощью пакетов. Каждый пакет содержит 1 стартовый бит, от 5 до 9 бит данных (в зависимости от типа UART), опционально бит четности (для проверки возникла ли ошибка при передаче) и 1 или 2 стоповых бита. UART является достаточно эффективным протоколом и находит широкое применение в современной электронике, однако ему присущи такие недостатки как невозможность поддержки нескольких ведущих и ведомых устройств и максимальный пакет данных в нем ограничен 9 битами. На представленном ниже рисунке показан принцип передачи одного символа в UART. Сигналы High и Lows измеряются по отношению к уровню GND (общий провод, земля), поэтому изменение уровня GND оказывает крайне негативный эффект на передачу данных.
С другой стороны, протокол RS485 ориентирован на обеспечение связи в промышленных средах, в сетях с множеством устройств, и может использоваться для связи на большие расстояния с достаточно большой скоростью передачи данных. Он использует для передачи данных дифференциальный сигнал, который обладает значительно лучшей помехоустойчивостью чем униполярный сигнал, применяемый в UART. Для передачи сигналов в проколе RS485 используются линии Sig+ и Sig-.
Приемник RS485 сравнивает различие уровней напряжения на обоих линиях вместо измерения абсолютного уровня напряжения на одной линии (как в UART). Этот подход также защищает от помех со стороны контура заземления, которые достаточно часто являются причиной проблем со связью. Наибольший эффект в данном случае достигается когда линии Sig+ и Sig- скручены в витую пару, что позволяет эффективно бороться с различными электромагнитными помехами, наводимыми в кабеле, что позволяет передавать данные на расстояние до 1200 метров. Витая пара также позволяет увеличить скорость передачи по сравнению с прямолинейными кабелями. Протокол RS485 позволяет достигать скорости передачи данных 35 Мбит/с, хотя с увеличением расстояния скорость передачи данных уменьшается. На максимальной дистанции 1200 метров максимальная возможная скорость передачи составляет 100 кбит/с
Для связи на большие расстояния с помощью протокола RS485 понадобится Ethernet кабель. Существуют Ethernet кабели различных категорий: CAT-4, CAT-5, CAT-5E, CAT-6, CAT-6A и т.п. В нашем проекте мы использовали кабель CAT-6E, который содержит 4 витые пары проводников 24AWG и поддерживает частоты до 600 МГц. На обоих концах кабель заканчивается разъёмами RJ45. Типовое линейное напряжение в подобном кабеле составляет величину от ±1.5 V до ±6 V (максимальный уровень). Чувствительность приемного устройства в такой линии составляет ±200 mV. На следующем рисунке представлен пример передачи байта 0x3E по линии связи с помощью протокола RS485.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano – 2 шт. (купить на AliExpress).
- Модуль преобразования MAX485 – 2 шт. (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 – 2 шт. (купить на AliExpress).
- Подстроечный потенциометр 10 кОм – 2 шт. (купить на AliExpress).
- Ethernet кабель категории Cat-6E (купить на AliExpress).
- Макетная плата.
- Соединительные провода.
Схема проекта
Схема для осуществления связи на большие расстояния по Ethernet кабелю с помощью Arduino и RS485 представлена на следующем рисунке. Приведена схема передающей и приемной частей проекта.
Заметьте, что схемы передающей и приемной частей выглядят полностью идентичными – в них будет отличаться только код программы. На следующем рисунке показаны схемы соединений на макетной плате для передающей и приемной частей проекта.
Каждая часть (приемная и передающая) схемы содержит плату Arduino Nano, алфавитно-цифровой ЖК дисплей 16х2 и модуль преобразования UART в RS485 под названием MAX485. Модуль RS485 подключается к Ethernet кабелю категории Cat-6E при помощи разъема RJ45. В нашем проекте мы использовали кабель длиной 25 метров.
На передающей стороне мы с помощью платы Arduino Nano формируем набор данных для передачи, передаем их модулю MAX485, который работает в качестве ведущего устройства (Master Mode) и преобразует эти данные в формат протокола RS485. На приемном конце модуль MAX485, работающий в режиме ведомого (Slave), “прислушивается” к тому что передает ведущее устройство (Master) и в случае приема данных он их конвертирует в формат UART с логическими уровнями 5V TTL, которые принимаются платой Arduino Nano и отображаются на экране ЖК дисплея 16х2.
Модуль MAX485 (преобразования RS485 в UART)
На представленном ниже рисунке показаны способы подключения модуля MAX485 к другим электронным компонентам. Модуль обеспечивает стандартные для макетных плат промежутки 0.1 дюйма между контактами.
Ethernet кабель категории CAT-6E
На следующих рисунках представлена внутренняя структура Ethernet кабеля категории CAT-6E и схема соединений его проводников с разъемом RJ45.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
В данном проекте мы будем использовать две платы Arduino Nano, одну в передающей части и одну в приемной части. Для отображения результатов мы будем использовать ЖК дисплеи 16х2. Таким образом, в коде программ для плат Arduino нам необходимо будет сосредоточиться на передаче/приеме данных и их отображении на экране ЖК дисплея 16х2.
Объяснение кода программы для передающей части
Программу для передающей части мы начнем с подключения библиотеки для работы с ЖК дисплеем и объявления (присвоения осмысленного имени) контакта D8, через который будет осуществляться управление передачей информации. Также мы создадим объект для работы с ЖК дисплеем и сообщим плате Arduino контакты, к которым подключен ЖК дисплей.
Подскажите кто нибудь преобразователи RS-485 <-> Ethernet (или в TCP/IP), которые могут повторить шинную топологию RS-485.
Нужно же следующее:
Преобразователи, которые можно установить в сеть ethernet, подключить к ним скажем 20 RS-485 устройств и чтобы все устройства видели друг друга так, как будто бы были соединены витой парой. Т.е. соединение должно быть абсолютно прозрачным — никаких компов или роутеров.
Дополнительное требование: возможность создать 3 и более независимых виртуальных инкапсулированных в Ethernet RS-485 сети.
В голову приходит три варианта работы таких преобразователей:
1. UDP/TCP vroadcasting
2. Ehernet broadcasting
3. Рассылка по таблице IP или MAC адресов.
Более конкретно задача стоит так:
1. Поселок 10 домов.
2. Счетчики воды, газа и электричества.
3. УСПД стоит в диспетчерской.
4. Есть оптоволоконный ethernet в каждом доме.
5. Нужно протуннелировать все счетчики (RS-485) на три порта успд (каждый тип счетчиков на свой порт) через ethernet, так чтобы успд не заметил подмены шины RS-485 на ethernet.
А если сразу использовать контроллеры с TCP/IP (в смысле контроллеры которые будут считтывать информацию со счетчиков)
С уважением Вячеслав
К сожалению контроллер, который считывает информацию со счетчиков — ноухау девайс на который завязана программная оболочка.
Может я что-то недоглядел, но данная записка описвает "Peer to Peer" соединение двух устройств, а нужно объеденить более двух устройств в одну сеть.
А эти контроллры RS-485 протокол ModBus или нет
Похоже что не модбас. В принципе интересует универсальное решение на интерфейс, вне зависимости от протокола передачи.
"Подскажите кто нибудь преобразователи RS-485 <-> Ethernet (или в TCP/IP),"
. итак, имеем RS-485 - физика передачи, Ethernet - в общем тоже, если не учитывать прямой обмен на MAC уровне, TCP/IP стэк протоколов в принципе не зависящий от физики, преобразование подразумевает наличие 2-х протоколов обмена, а в поставленном вопросе про них мало что понятно.
"Нужно же следующее:
Преобразователи, которые можно установить в сеть ethernet, подключить к ним скажем 20 RS-485 устройств и чтобы все устройства видели друг друга так, как будто бы были соединены витой парой. Т.е. соединение должно быть абсолютно прозрачным — никаких компов или роутеров.
Дополнительное требование: возможность создать 3 и более независимых виртуальных инкапсулированных в Ethernet RS-485 сети."
. "чем дальше в лес. ":), "Преобразователи, которые можно установить в сеть ethernet, подключить к ним скажем 20 RS-485 устройств " - это не проблема вариантов море, вопрос тот же самый ПРОТОКОЛ ОБМЕНА МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ.
"В голову приходит три варианта работы таких преобразователей:
1. UDP/TCP vroadcasting
2. Ehernet broadcasting
3. Рассылка по таблице IP или MAC адресов."
. и что этО даст.
"Более конкретно задача стоит так:
1. Поселок 10 домов.
2. Счетчики воды, газа и электричества.
3. УСПД стоит в диспетчерской.
4. Есть оптоволоконный ethernet в каждом доме.
5. Нужно протуннелировать все счетчики (RS-485) на три порта успд (каждый тип счетчиков на свой порт) через ethernet, так чтобы успд не заметил подмены шины RS-485 на ethernet."
. тут уже понятнЕЕ:), "Нужно протуннелировать " - "туннелированием" обычно называют пересадку информационной структуры одного протокола на механизм и физику транспорта другого, скажем ModBus TCP, берется структура ModBus и преносится на транспорт TCP/IP с небольшими изменениями, что во что вам нужно протуннелировать, какие протоколы.
. вопросы.
1. какой протокол у RS-485 счетчиков.
2. "на три порта успд", что имеется ввиду под "портом" успд?, обычный COM?, TCP/UDP порт софта.
3. "Есть оптоволоконный ethernet в каждом доме", а что на успд приходит.
. как вариант.
. ставим преобразователи оптика-eth, ставим мост eth-прот счетчиков, берем I-7188 с eth и RS-485, пишем реализацию протокола счетчиков если это самопал-bus кокой-нить, дальше пишем реализацию протокола верхнего софта если это тоже самопал, дальше в зависимости от условий эту схему тиражируем или на каждый дом или, для софта верхнего уровня будет все прозрачно, он будет обращатся к определенным IP, а мост будет ретранслировать запрос на нужный модуль RS-485, и обратно.
p.s. есть опыт разработки системы учета энергоресурсов многоквартирного здания, все на ICPDAS: RS-485 модули I-7XXX, мост с DCON протокола на ModBus TCP на I-8000, дальше преобразователь оптика-eth и на систему учета.
Читайте также: