Tổng Quan
- RS485 là một kiến trúc phần cứng chỉ quy định các đặc tính điện của bộ truyền và bộ thu, mà không gắn liền với bất kỳ giao thức truyền dẫn cụ thể nào.
- RS485 truyền tín hiệu nhị phân bằng cách tạo ra các điện áp cao và thấp, đại diện cho các số nhị phân 0 và 1 (tắt và mở), cho phép giao tiếp hiệu quả ở khoảng cách xa trong môi trường điện tử nhiễu.
- Các thiết bị sử dụng RS485 có thể giao tiếp với hệ thống điều khiển trung tâm bằng các giao thức truyền thông như Modbus và ASCII.
1. RS485 là gì?
RS485 là một giao diện truyền thông nối tiếp tiêu chuẩn, còn được gọi là TIA-485(-A) hoặc EIA-485. Nó định nghĩa các đặc tính điện cho giao tiếp hai dây, bán song công, và đa điểm bằng cách sử dụng cáp xoắn đôi. RS485 hỗ trợ nhiều thiết bị trên cùng một bus và hoạt động xuất sắc trong các môi trường có khoảng cách xa và dễ bị nhiễu.
"RS485 không phải là Giao thức Truyền thông"
RS485 chỉ xác định các đặc tính điện, như điện áp và truyền tín hiệu. Nó không định nghĩa mã hóa, giải mã dữ liệu hay định dạng truyền dẫn, những điều này được xử lý bởi các giao thức truyền thông.
[1]
Vì RS485 không định nghĩa các giao thức truyền thông như tốc độ hay định dạng, nên nó phải được kết hợp với các giao thức (ví dụ: Modbus, ASCII) để truyền và diễn giải dữ liệu. RS485 gửi các tín hiệu vi sai, trong đó điện áp cao và thấp đại diện cho số nhị phân 0 và 1, cho phép giao tiếp hiệu quả ở khoảng cách xa trong các môi trường nhiễu.
Trong hầu hết các trường hợp, các thiết bị dựa trên RS485 có thể sử dụng các giao thức truyền thông như Modbus và ASCII để thiết lập liên lạc với hệ thống điều khiển trung tâm. Để minh họa, hãy xem xét lưu lượng kế cánh quạt của LORRIC, sử dụng Modbus làm giao thức cơ sở để định nghĩa các tín hiệu truyền. Lưu lượng kế này tận dụng RS485 để truyền tín hiệu và được kết nối theo cấu hình nối tiếp với hệ thống điều khiển trung tâm của khách hàng. Thông qua việc lập trình và cài đặt cấu hình phù hợp trong hệ thống điều khiển trung tâm, dữ liệu đo lưu lượng có thể được đọc từ lưu lượng kế.
2. RS485 so với RS232
RS485 khắc phục một số hạn chế của RS232, như khoảng cách truyền, giao tiếp đa điểm và khả năng chống nhiễu. Tuy nhiên, hai chuẩn này không thể thay thế trực tiếp cho nhau. RS232 phù hợp hơn cho các kết nối đơn giản, khoảng cách ngắn, điểm-đến-điểm, chẳng hạn như giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Ngược lại, RS485 thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, nơi yêu cầu giao tiếp ổn định, đa thiết bị và khoảng cách xa.
| Giao diện truyền thông |
RS232 |
RS485 |
| Phương thức truyền tải |
 Truyền thông điểm-điểm, chỉ có thể kết nối hai thiết bị cùng lúc. |
 Truyền thông đa điểm, tùy thuộc vào cấp độ chip, một bus có thể kết nối 32, 128 hoặc 256 bộ phát và bộ nhận. |
| Khoảng cách truyền tải |
Trong phạm vi 15 mét |
Khoảng cách truyền tải tối đa lên đến 1200 mét |
| Khả năng chống nhiễu |
Tín hiệu một đầu, phạm vi điện áp lớn, khả năng chống nhiễu điện từ từ bên ngoài yếu hơn. |
Truyền tín hiệu vi sai, phạm vi điện áp nhỏ, truyền thông qua sự chênh lệch điện áp giữa hai dây, khả năng chống nhiễu rất tốt. |
| Tốc độ truyền thông |
Tốc độ truyền tải tối đa là 20 kB/s |
Khoảng cách càng ngắn, tốc độ càng cao, với tốc độ truyền tải tối đa lên đến 10 Mbps |
| Chi phí |
Thấp |
Cao |
| Thiết kế |
Đơn giản |
Phức tạp |
3. Giải pháp Đấu dây RS485
1 ) Kết nối RS485 cho Nhiều Thiết bị
RS485 cung cấp phương tiện kết nối nhiều thiết bị theo chuỗi bằng một cặp dây xoắn để trao đổi dữ liệu. Nó có hai phương pháp đấu dây chính: hai dây bán song công và bốn dây toàn song công. Mặc dù cấu hình bốn dây toàn song công tồn tại, nhưng hiện nay nó ít được sử dụng hơn, với cấu hình hai dây bán song công là phương pháp đấu dây phổ biến nhất hiện nay.
Hình ảnh cho thấy sơ đồ đấu dây RS485, bao gồm kết nối giữa các thiết bị, cấu trúc cáp xoắn đôi, và truyền tín hiệu.
- Các thiết bị (Thiết bị 1, Thiết bị 2, Thiết bị N) được kết nối theo chuỗi, tạo thành cấu trúc liên kết chuỗi liên tiếp. Cổng A+ và B- của mỗi thiết bị được nối với cổng tương ứng của thiết bị tiếp theo bằng cáp xoắn đôi. Phương pháp đấu dây sử dụng các dây A+ và B-, đại diện cho cấu hình hai dây bán song công, là phương pháp phổ biến nhất trong RS485.
- Phía bên trái của hình ảnh thể hiện cấu trúc cáp xoắn đôi, bao gồm dây đồng, lớp chắn, và lớp cách điện. Cấu trúc cáp này giúp duy trì truyền dữ liệu ổn định trong môi trường nhiễu điện. Lưu ý rằng dây kết nối giữa các thiết bị nên được giữ ngắn nhất có thể để giảm thiểu suy giảm tín hiệu và nhiễu, cải thiện độ tin cậy của giao tiếp.
- Toàn bộ mạng chuỗi liên tiếp cuối cùng được kết nối với PLC (Bộ Điều Khiển Logic Lập Trình), giúp trao đổi dữ liệu giữa nhiều thiết bị và hệ thống điều khiển trung tâm. Sử dụng tiêu chuẩn RS485, các tín hiệu được truyền qua các dây A+ và B-, với điện áp cao và thấp đại diện cho số nhị phân 1 và 0 (bật và tắt), đảm bảo giao tiếp dữ liệu đáng tin cậy.
2 ) Khuyến nghị Đấu dây RS485
- Sử dụng cáp xoắn đôi có lớp chắn 24AWG với 485+ và 485- được xoắn lại với nhau. Kết nối các thiết bị theo kiểu chuỗi liên tiếp và tránh bố trí kiểu vòng hoặc sao. Giữ cáp RS485 cách xa các đường dây cao áp để ngăn chặn nhiễu.
- Trong môi trường nhiễu, hãy áp dụng cơ chế thử lại trong phần mềm để xử lý nhiễu. Sử dụng cáp ngắn để giảm thiểu tiếng ồn và nối đất lớp chắn bằng cách kết nối nó với lớp chắn của đường truyền thông chính.
3 ) Khi nào nên sử dụng điện trở kết thúc với RS485:
➤ Giao tiếp khoảng cách xa: Đối với khoảng cách trên 300m, phản xạ tín hiệu có thể đến bộ thu trong lúc dữ liệu đang được truyền, gây ra lỗi.
➤ Giao tiếp tốc độ cao: Ở tốc độ dữ liệu cao, thời gian tăng và giảm tín hiệu ngắn hơn, làm tăng nguy cơ tín hiệu phản xạ gây nhiễu cho việc truyền dữ liệu.
➤ Mạng nhiều thiết bị: Trong các mạng có nhiều thiết bị, điện trở kết thúc giúp đảm bảo tín hiệu ổn định và đáng tin cậy. Lắp điện trở kết thúc ở cả đầu chính và đầu xa nhất của đường dây. Điện trở 120Ω thường được sử dụng, nhưng giá trị thực tế cần được tính toán dựa trên thông số cáp.
4. Hệ thống hai dây bán song công
Hệ thống hai dây bán song công cho phép truyền dữ liệu hai chiều giữa hai thiết bị, nhưng không đồng thời. Ví dụ, hãy xem xét các thiết bị A và B. Trong một khoảng thời gian cụ thể, dữ liệu có thể được truyền từ A đến B, và khi hoàn tất, dữ liệu có thể được truyền từ B đến A. Dưới đây là sơ đồ mạch thường được sử dụng cho RS-485:
Sơ đồ mạch được cung cấp minh họa các kết nối cơ bản cho thiết lập đấu dây hai dây. Trong phương pháp này, tất cả các nút trong mạng chia sẻ cùng một cặp dây truyền thông. Một dây, gọi là dây A (hoặc Data+), chịu trách nhiệm truyền tín hiệu vi sai, trong khi dây còn lại, gọi là dây B (hoặc Data-), xử lý các tín hiệu vi sai bổ sung. Việc sử dụng chế độ truyền tín hiệu vi sai này giúp giảm thiểu nhiễu và nâng cao độ tin cậy của giao tiếp.
[2]
5. Các cấu trúc liên kết phù hợp cho RS485
RS485 thường sử dụng cấu trúc liên kết chuỗi liên tiếp (daisy-chain) và đường bus (hoặc đường thẳng), cả hai đều lý tưởng cho các kết nối đa thiết bị ở khoảng cách xa trong khi vẫn duy trì sự ổn định của tín hiệu. Hai cấu trúc này thường được coi là tương tự nhau về mặt khái niệm.
Cấu trúc liên kết mạng xác định cách các nút, như máy tính và máy chủ, kết nối trong một mạng. Các cấu trúc liên kết khác nhau đáp ứng các nhu cầu khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất, độ tin cậy, và khả năng mở rộng. Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng, sẽ được thảo luận trong mối liên hệ với khả năng tương thích của RS485.
| Tên |
Sơ đồ |
Mô tả |
Tính tương thích RS485 |
| Daisy Chain Topology |
|
Daisy chain topology kết nối từng nút theo chuỗi, mỗi nút có hai kết nối: một đến nút trước và một đến nút sau. Thiết kế đơn giản này có chi phí thấp, dễ đi dây và dễ mở rộng, thích hợp cho các mạng nhỏ. Tuy nhiên, bất kỳ gián đoạn nào trong kết nối đều có thể khiến toàn bộ mạng bị gián đoạn, làm giảm độ tin cậy đối với các hệ thống lớn hơn. |
Thích hợp cho RS485, tất cả thiết bị được kết nối song song với một bus duy nhất, tránh các nhánh dài và sử dụng điện trở kết thúc ở cả hai đầu. |
| Bus Topology / Linear Topology |
|
Còn được gọi là bus topology, tất cả các thiết bị được kết nối vào một cáp trung tâm gọi là bus. Dữ liệu từ một thiết bị sẽ được truyền dọc theo bus đến tất cả các thiết bị khác, nhưng chỉ thiết bị đích nhận dữ liệu. Topology này dễ cài đặt và cần ít cáp hơn so với các topology khác. Tuy nhiên, nếu cáp chính bị hỏng, toàn bộ mạng sẽ bị gián đoạn, do đó chỉ phù hợp với các mạng nhỏ hoặc tạm thời. |
Thích hợp cho RS485, thiết bị được kết nối tuần tự mà không có các nhánh dài, đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu và điện trở kết thúc có thể được sử dụng đúng cách. |
| Backbone với Nhánh |
|
Một xương sống trung tâm kết nối các mạng nhỏ hơn hoặc nhánh. Xương sống đảm nhận các đường truyền chính và xử lý lưu lượng quan trọng hoặc lớn, trong khi các nhánh đảm nhận lưu lượng cục bộ. Thiết kế này giúp quản lý mạng dễ dàng hơn và cải thiện hiệu quả bằng cách tập trung các đường truyền quan trọng và phân phối việc xử lý lưu lượng cục bộ. |
Không lý tưởng cho RS485, vì các nhánh dài có thể gây phản xạ tín hiệu và ảnh hưởng đến sự ổn định của việc truyền tin. |
| Tree Topology |
|
Một cáp xương sống trung tâm kết nối các nhánh khác nhau, và mỗi nhánh kết nối nhiều nút, hình thành cấu trúc cây. Topology này có khả năng mở rộng cao, phù hợp với các mạng lớn cần tổ chức theo hệ thống phân cấp. Tuy nhiên, nếu xương sống bị hỏng, một phần lớn của mạng có thể bị ảnh hưởng. |
Không lý tưởng cho RS485, vì các vấn đề phản xạ tín hiệu sẽ phát sinh, đặc biệt khi có nhiều nút và nhánh. |
| Ring Topology |
|
Trong ring topology, các nút được kết nối thành một vòng kín, với dữ liệu được truyền từ một nút đến nút tiếp theo theo hướng cố định xung quanh vòng. |
Không phù hợp cho RS485. RS485 không hỗ trợ cấu trúc vòng kín và topology vòng dễ gây phản xạ tín hiệu và xung đột. |
| Backbone với Mạng Sao/Cụm |
|
Một xương sống trung tâm kết nối nhiều mạng sao hoặc cụm. Mỗi mạng sao có một nút trung tâm kết nối với các nút ngoại vi. Thiết kế này cân bằng tải và cải thiện khả năng chịu lỗi bằng cách phân đoạn mạng thành các cụm quản lý được, trong khi vẫn duy trì kết nối mạnh mẽ qua xương sống. |
Không phù hợp cho RS485. Việc có nhiều nhánh hoặc cấu trúc sao có thể gây phản xạ tín hiệu nghiêm trọng và lỗi trong việc truyền thông tin. |
| Star Topology |
|
Trong star topology, mỗi nút trong mạng được kết nối điểm-điểm với một nút trung tâm, sau đó nút trung tâm truyền thông tin đến nút đích. Nút trung tâm đảm nhiệm kiểm soát truyền thông tập trung, điều này có thể tạo gánh nặng lớn cho nó so với các nút khác. Trong mạng sao, việc truyền thông giữa hai nút phải thông qua nút trung tâm. |
Không phù hợp cho RS485. Topology sao có thể khiến mỗi nhánh quá dài, làm mất hoàn toàn việc phù hợp trở kháng cần thiết cho RS485. |
Cấu trúc liên kết chuỗi liên tiếp (daisy-chain) là lý tưởng cho RS485, giúp giảm thiểu các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu bằng cách kết nối các thiết bị tuần tự. Tuy nhiên, các đường dây dài hơn có thể gây ra hiện tượng méo tín hiệu, làm giảm tốc độ truyền dữ liệu.
6. Giao thức Truyền thông cho RS485
RS485 là một tiêu chuẩn truyền thông lớp vật lý và cần một giao thức để quản lý trao đổi dữ liệu và điều khiển giữa các thiết bị. Các giao thức phổ biến bao gồm:
1. Modbus RTU
Rất phổ biến trong tự động hóa công nghiệp, Modbus RTU sử dụng RS485 để truyền dữ liệu nhị phân theo cấu trúc master-slave. Nó hỗ trợ khung dữ liệu 256 byte và kiểm tra lỗi CRC.
2. Profibus DP
Được phát triển bởi Siemens, Profibus hỗ trợ tốc độ lên tới 12 Mbps, sử dụng cấu hình đa master cho các hệ thống phân tán và thiết bị trường.
3. BACnet MS/TP
Được thiết kế cho tự động hóa tòa nhà, BACnet MS/TP sử dụng cơ chế master-slave/token-passing, với tốc độ truyền từ 9600 bps đến 1 Mbps.
4. DNP3
Chủ yếu được sử dụng trong hệ thống điện, DNP3 truyền dữ liệu theo sự kiện với dấu thời gian qua RS485, hỗ trợ tốc độ lên tới 9600 bps, thường được sử dụng trong hệ thống SCADA.
5. CANopen
Một giao thức cấp cao dựa trên bus CAN, hỗ trợ trao đổi dữ liệu theo thời gian thực với tốc độ từ 10 kbps đến 1 Mbps, lý tưởng cho các hệ thống điều khiển nhúng.
6. HART
Được sử dụng trong thiết bị đo lường thông minh, HART truyền dữ liệu được chồng lên tín hiệu analog 4-20mA, hỗ trợ trao đổi dữ liệu hai chiều 16-bit cho giám sát và chẩn đoán thiết bị.
7. Nghiên cứu điển hình RS485
Ví dụ Ứng dụng Lưu Lượng Kế Cánh Quạt LORRIC trong Hệ Thống Pha Chế và Cấp Phát Hóa Chất Trung Tâm tại Hingsen Semiconductor
Trong hệ thống pha chế và cấp phát hóa chất trung tâm của Hingsen Semiconductor ở Trung Quốc, cấu hình bao gồm các bồn chứa hóa chất trung tâm được kết nối với các hệ thống cấp phát tại từng điểm xử lý, được kiểm soát thông qua các hộp van để điều chỉnh việc cung cấp các hóa chất.
Mỗi hộp van được trang bị lưu lượng kế cánh quạt LORRIC để đo lưu lượng của các hóa chất. Lưu lượng kế truyền thông tin về lưu lượng theo thời gian thực đến hệ thống điều khiển trung tâm qua RS-485, ngừng cung cấp khi lượng hóa chất đã được cấp đủ theo yêu cầu. Trong hệ thống này, RS-485 đóng vai trò quan trọng như một cầu nối, thiết lập giao tiếp thông tin lưu lượng giữa hệ thống điều khiển trung tâm và từng hộp van.