چرا به ارتباط مبتنی بر RS485 نیاز داریم؟

 

اولاً، در یک محیط کارخانه‌ای بزرگ، ارتباط دستگاه‌به‌دستگاه بسیار چالش‌برانگیز است، زیرا پروتکل‌های ارتباطی معمولی تنها می‌توانند چند متر را پشتیبانی کنند؛ پس از آن، داده‌ها دچار تخریب شده و نرخ انتقال داده به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. برای غلبه بر این مشکل، RS485 یکی از بهترین راه‌حل‌ها است، زیرا دو یا چند دستگاه می‌توانند تا فاصله ۱۲۰۰ متر با نرخ انتقال داده بالا تا ۱۰ مگابیت بر ثانیه با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

ثانیاً، محیط‌های صنعتی، محیط‌هایی پرنویز هستند. گیرنده RS485 سیگنال‌ها را با مقایسه اختلاف ولتاژ بین دو سیم خود رمزگشایی می‌کند. اگرچه نویز حالت مشترک به دلیل ماهیت تفاضلی سیگنال تأثیر محدودی بر انتقال دارد، اما همچنان می‌تواند داده‌های منتقل‌شده روی باس RS485 را به‌طور مؤثر دچار اختلال کند. بنابراین با استفاده از ارتباط RS485، نویز می‌تواند به میزان قابل‌توجهی کاهش یابد.

در نهایت، RS485 از هر دو حالت ارتباطی نیمه‌دوطرفه (Half-Duplex) و تمام‌دوطرفه (Full-Duplex) پشتیبانی می‌کند. در حالت نیمه‌دوطرفه، مستر و اسلیو به‌طور هم‌زمان با یکدیگر ارتباط برقرار نمی‌کنند؛ به این معنا که مستر یا اسلیو در هر لحظه تنها در یک جهت داده را ارسال یا دریافت می‌کند. از سوی دیگر، در حالت تمام‌دوطرفه، مستر و اسلیو به‌طور هم‌زمان و در هر دو جهت داده ارسال و دریافت می‌کنند.

 

کاربردهای استاندارد ارتباطی RS485

 

اتوماسیون صنعتی

 

RS-485 به‌طور گسترده در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی برای ارتباط بین کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، رابط‌های انسان–ماشین (HMI)، درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، حسگرها و سایر تجهیزات استفاده می‌شود. مصونیت بالا در برابر نویز و قابلیت ارتباط در فواصل طولانی، RS-485 را به گزینه‌ای ایده‌آل برای محیط‌های صنعتی سخت تبدیل کرده است.

 

سیستم‌های جمع‌آوری داده

RS-485 در سیستم‌های جمع‌آوری داده مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ جایی که حسگرها و دیتالاگرها نیاز دارند در فواصل طولانی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. قابلیت پشتیبانی از چندین دستگاه بر روی یک باس مشترک، این پروتکل را برای جمع‌آوری داده از منابع توزیع‌شده بسیار مناسب می‌سازد.

سیستم‌های کنترل دسترسی داده(Access Control Systems)

سیستم‌های کنترل دسترسی داده، از جمله کارت‌خوان‌ها، اسکنرهای بیومتریک و کنترل‌کننده‌های درب، اغلب از RS-485 برای ارتباط استفاده می‌کنند. این امر امکان انتقال داده‌ای ایمن و قابل‌اعتماد را بین اجزای مختلف سیستم کنترل دسترسی فراهم می‌سازد.

سیستم‌های انرژی خورشیدی

RS-485 در سیستم‌های انرژی خورشیدی برای ارتباط بین اینورترهای خورشیدی، کنتورهای انرژی و سیستم‌های پایش مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل امکان یکپارچه‌سازی و هماهنگی اجزای مختلف در یک سامانه انرژی خورشیدی را فراهم می‌کند.

تجهیزات پزشکی

برخی از دستگاه‌ها و تجهیزات پزشکی از RS-485 برای ارتباط بین ماژول‌ها یا اجزای مختلف استفاده می‌کنند. مصونیت بالای این پروتکل در برابر نویز، در محیط‌های پزشکی که تداخل الکترومغناطیسی می‌تواند یک نگرانی جدی باشد، اهمیت بسیار زیادی دارد.

تجهیزات شبکه

RS-485 همچنین در تجهیزات شبکه، مانند سرورهای ارتباط سریال، برای ایجاد ارتباط بین دستگاه‌ها در شبکه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اصلول کارکرد ارتباط RS485

در ارتباط RS232، فرستنده و گیرنده سطح ولتاژ را نسبت به یک سطح صفر مشترک مقایسه می‌کنند. به دلیل وجود این صفر مشترک یا نویز خط زمین، سیگنال خط ارتباطی به‌راحتی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. اما RS485 از سطح صفر مشترک استفاده نمی‌کند؛ بلکه از خطوط +سیگنال و −سیگنال بهره می‌برد. به این روش، ارتباط سیگنال تفاضلی گفته می‌شود. برای مثال، اگر یکی از سیگنال‌ها +۵ ولت باشد، خط سیگنال دیگر باید −۵ ولت باشد.

این روش امکان ارتباط در فواصل طولانی را با RS485 فراهم می‌کند. همچنین، ارتباط سیگنال تفاضلی باعث کاهش نویز می‌شود، زیرا هر دو خط +سیگنال و −سیگنال تحت تأثیر نویز یکسانی قرار می‌گیرند و این نویز در خروجی سیگنال یکدیگر را خنثی می‌کند.

با استفاده از ارتباط RS485، می‌توان یک مستر و حداکثر ۳۲ اسلیو تعریف کرد. هر اسلیو دارای یک شناسه (Slave ID) است. مستر داده‌ها را همراه با آدرس اسلیو از طریق دو خط داده مشترک A (+سیگنال) و B (−سیگنال) ارسال می‌کند. خطوط A و B به تمام اسلیوها متصل هستند. اگر شناسه اسلیو با آدرس ارسالی از طرف مستر مطابقت داشته باشد، آن اسلیو مشخص داده‌ها را دریافت کرده و پاسخ ارسال می‌کند. تصویر ارائه‌شده، کل این فرایند را نشان می‌دهد.

تفاوت بین ارتباطات RS485 و RS232

اکنون به بررسی تفاوت بین RS-232 و RS-485 می‌پردازیم که به شما کمک می‌کند گزینه مناسب را برای پروژه خود انتخاب کنید. RS-232 و RS-485 هر دو استانداردهای ارتباط سریال هستند، اما در چندین جنبه کلیدی با یکدیگر تفاوت دارند. RS-232 از سیگنال‌دهی تک‌پایه (Single-Ended) با سطوح ولتاژ بین ‎−۱۵ ولت تا ‎+۱۵ ولت استفاده می‌کند و ارتباط نقطه‌به‌نقطه را در فواصل نسبتاً کوتاه پشتیبانی می‌نماید. در مقابل، RS-485 از سیگنال‌دهی تفاضلی با سطوح ولتاژ بین ‎−۷ ولت تا ‎+۱۲ ولت بهره می‌برد که امکان پیکربندی چندنقطه‌ای (Multidrop) را در فواصل طولانی‌تر و با استفاده از کابل‌های زوج به‌هم‌تابیده فراهم می‌کند.

RS-232 معمولاً برای ارتباطات کوتاه‌برد بین کامپیوتر و تجهیزات جانبی به کار می‌رود، در حالی که RS-485 به‌طور گسترده در محیط‌های صنعتی برای ارتباط در فواصل طولانی‌تر بین چندین دستگاه استفاده می‌شود. RS-232 یک‌جهته بوده و برای ارتباطات یک‌به‌یک مناسب است، اما RS-485 از توپولوژی‌های چندنقطه‌ای یا زنجیره‌ای (Daisy-Chain) پشتیبانی می‌کند و امکان ارتباط با چندین دستگاه روی یک باس مشترک را فراهم می‌سازد.

RS-485 اغلب به مقاومت‌های ترمینیشن برای کاهش بازتاب سیگنال نیاز دارد و به دلیل توانایی بهتر در حذف نویز حالت مشترک، در محیط‌های پرنویز مقاوم‌تر است. انتخاب بین RS-232 و RS-485 به عواملی مانند فاصله ارتباطی، تعداد دستگاه‌ها و شرایط محیطی بستگی دارد. جدولی در ادامه، تفاوت‌های اساسی بین RS-232 و RS-485 را نشان می‌دهد.

کابل های RS485

کابل زوج به‌هم‌تابیده (Twisted Pair Cable)

انتخاب کابل زوج به‌هم‌تابیده

انتخاب کابل زوج به‌هم‌تابیده مناسب برای ارتباط RS-485 بسیار حیاتی است. زوج‌های به‌هم‌تابیده کابل باعث کاهش تداخل می‌شوند و تطبیق امپدانس (حدود ۱۲۰ اهم) نیز ضروری است. باید دسته‌بندی مناسبی از کابل (برای مثال Cat 5e) انتخاب شود، در محیط‌های با تداخل بالا، استفاده از شیلد در نظر گرفته شود و از مقاومت‌های ترمینیشن استفاده گردد. همچنین عواملی مانند فاصله، انعطاف‌پذیری و دوام کابل باید مدنظر قرار گیرند و سازگاری آن با کانکتورهای RS-485 (مانند DB-9 و DB-25) بررسی شود تا عملکردی قابل‌اعتماد تضمین گردد.

مزایای ارتباط RS485

RS-485 مزایای متعددی دارد که آن را به گزینه‌ای محبوب برای ارتباط در کاربردهای مختلف صنعتی و تجاری تبدیل کرده است:

فاصله ارتباطی طولانی:

RS-485 در مقایسه با بسیاری از استانداردهای ارتباط سریال دیگر، از فواصل ارتباطی طولانی‌تری پشتیبانی می‌کند. این استاندارد می‌تواند داده‌ها را به‌صورت قابل‌اعتماد در فواصل چندین هزار فوت یا متر منتقل کند و به همین دلیل برای نصب‌های صنعتی بزرگ مناسب است.

پیکربندی چندنقطه‌ای (Multidrop):

RS-485 از پیکربندی چندنقطه‌ای پشتیبانی می‌کند و امکان اتصال چندین دستگاه به یک باس ارتباطی مشترک را فراهم می‌سازد. این قابلیت، ایجاد شبکه‌های پیچیده را تنها با یک خط ارتباطی ممکن می‌کند.

نرخ بالای انتقال داده:

RS-485 از دامنه وسیعی از نرخ‌های انتقال داده پشتیبانی می‌کند؛ از چند صد بیت بر ثانیه تا چندین مگابیت بر ثانیه. این انعطاف‌پذیری، آن را برای کاربردهایی با نیازهای سرعت متفاوت مناسب می‌سازد.

سیگنال‌دهی تفاضلی:

استفاده از سیگنال‌دهی تفاضلی در RS-485، که در آن داده به‌صورت اختلاف ولتاژ بین دو خط منتقل می‌شود، مصونیت بهتری در برابر نویز ایجاد کرده و تأثیر تداخل‌های حالت مشترک را کاهش می‌دهد.

عملکرد پایدار در محیط‌های پرنویز:

RS-485 برای استفاده در محیط‌های الکتریکی پرنویز که در صنایع رایج هستند، بسیار مناسب است. سیگنال‌دهی تفاضلی به‌همراه امکان استفاده از کابل‌های شیلددار، به حفظ ارتباط قابل‌اعتماد در حضور تداخل کمک می‌کند.

عملکرد نیمه‌دوطرفه یا تمام‌دوطرفه:

RS-485 از هر دو حالت ارتباطی نیمه‌دوطرفه و تمام‌دوطرفه پشتیبانی می‌کند. در حالت نیمه‌دوطرفه، دستگاه‌ها در هر لحظه یا ارسال می‌کنند یا دریافت، در حالی که در حالت تمام‌دوطرفه، ارسال و دریافت به‌طور هم‌زمان و روی زوج‌های جداگانه انجام می‌شود.

پذیرش گسترده در صنعت:

RS-485 به‌طور گسترده در اتوماسیون صنعتی و ساختمانی، سیستم‌های HVAC، کنترل فرایند و سایر کاربردها پذیرفته شده است. پذیرش آن به‌عنوان یک استاندارد صنعتی باعث دسترسی آسان به تجهیزات و قطعات سازگار شده است.

شبکه‌سازی مقرون‌به‌صرفه:

ایجاد شبکه‌های RS-485 از نظر هزینه بسیار مقرون‌به‌صرفه است، به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به پوشش فواصل طولانی و اتصال چندین دستگاه وجود دارد. سادگی این استاندارد به کاهش هزینه‌های پیاده‌سازی کمک می‌کند.

در حالت ایده‌آل، دو انتهای کابل باید یک پایانش الکتریکی متصل به دو سیم داشته باشند. بدون مقاومت‌های خاتمه، انعکاس سیگنال از انتهای بدون خاتمه کابل می‌تواند باعث خرابی داده شود. مقاومت‌های خاتمه همچنین حساسیت به نویز الکتریکی را به دلیل امپدانس پایین‌تر کاهش می‌دهند. مقدار هر مقاومت خاتمه باید برابر با امپدانس مشخصه کابل باشد (معمولاً ۱۲۰ اهم برای زوج‌های به‌هم‌تابیده). خاتمه همچنین شامل مقاومت‌های کششی بالا و پایین برای ایجاد بایاس برای هر سیم داده در حالتی است که خطوط توسط هیچ دستگاهی درایو نمی‌شوند. به این ترتیب، خطوط به ولتاژهای مشخص بایاس می‌شوند و گره‌ها نویز ناشی از خطوط بدون درایو را به‌عنوان داده واقعی تفسیر نمی‌کنند؛ بدون مقاومت‌های بایاس، خطوط داده به‌گونه‌ای شناور می‌شوند که حساسیت به نویز الکتریکی در زمانی که تمام ایستگاه‌های دستگاه خاموش یا بدون برق هستند، بیشترین مقدار را دارد.

نتیجه‌گیری

به‌طور خلاصه، RS-485 یک استاندارد ارتباطی انعطاف‌پذیر است که به‌خاطر قابلیت ارتباط در فواصل طولانی، پشتیبانی از چندنقطه‌ای و عملکرد پایدار در محیط‌های پرنویز شناخته می‌شود. سادگی، مقرون‌به‌صرفه بودن و قابلیت تعامل‌پذیری آن باعث شده است RS-485 به انتخابی گسترده در کاربردهای صنعتی و تجاری تبدیل شود؛ کاربردهایی که در آن‌ها ارتباطی قابل‌اعتماد و مقاوم امری ضروری است.