Последовательная связь является одним из наиболее распространенных способов обмена данными между электронными устройствами. Однако когда расстояния увеличиваются или в окружающей среде возникают электромагнитные помехи, сигналы связи могут быть подвержены ошибкам. Именно здесь в игру вступает стандарт связи RS485, предлагающий надежную и эффективную альтернативу. Arduino, благодаря своей универсальности, позволяет нам довольно простым способом в полной мере воспользоваться преимуществами этого протокола.
В этой статье мы увидим, как можно реализовать связь RS485 между несколькими Arduinos с помощью модулей на основе встроенного MAX485, чипа, который преобразует сигналы TTL (от Arduino) в RS485 и наоборот. В этом руководстве мы рассмотрим как основные концепции, так и практические примеры, которые позволят вам реализовать симплексную, полудуплексную и полнодуплексную связь между микроконтроллерами Arduino, а также объясним, как вы можете расширить эту систему связи для обработки нескольких устройств в одном Шина RS485.
Что такое RS485?
RS485 — это стандарт связи, широко используемый в отрасли, известный своими прочность и его способность противостоять длинная дистанция передача даже в шумных промышленных условиях. В отличие от других типов последовательной связи, таких как RS232, RS485 позволяет подключать несколько устройств к одной шине, что делает его идеальным для приложений промышленной автоматизации и управления.
Этот протокол устойчив к электромагнитным помехам благодаря тому, что в нем используется дифференциальная сигнальная система, что означает, что данные передаются по двум проводам, A и B, противоположным по напряжению. Это позволяет легко подавлять любые помехи, возникающие в кабелях, обеспечивая целостность сигнала.
Одним из основных преимуществ RS485 является то, что поддерживает расстояния до 1200 метров и обеспечивает скорость до 35 Мбит/с на коротких расстояниях, что делает его идеальным протоколом для промышленных и управляющих приложений в средах, где необходимы длинные кабели.
Режимы связи RS485
При связи RS485 мы можем настроить систему тремя различными способами: симплексным, полудуплексным и полнодуплексным. Каждый из них имеет свои особенности и реализуется в соответствии с потребностями проекта.
Симплексная связь
В симплексном режиме связь идет только в одном направлении, то есть одно устройство действует как передатчик и еще как рецептор. Это полезно в ситуациях, когда вы просто хотите отправить или получить данные без обратной связи.
Например, мы можем настроить систему, в которой Arduino считывает значение датчика и отправляет его на другое устройство, которое просто его получает. В этом случае, поскольку данные передаются только в одном направлении, можно отказаться от некоторых дополнительных элементов управления, что делает систему более простой и экономичной.
Полудуплексная связь
Большинство приложений RS485 на Arduino реализованы в полудуплексном режиме, поскольку для этого требуется только два провода, и позволяет как отправлять, так и получать данные, хотя и не одновременно. То есть, если одно устройство отправляет данные, другие устройства должны находиться в режиме приема, и наоборот.
Для переключения между режимами передачи и приема используйте дополнительные контакты (RE/DE) на модуле MAX485, которым вы будете управлять с помощью кода, чтобы определить, должно ли устройство отправлять или получать сообщения в любой момент времени.
Этот режим особенно полезен, если на одной шине подключено несколько устройств, которым необходимо взаимодействовать друг с другом, но не одновременно.
Полнодуплексная связь
В полнодуплексном режиме устройства могут отправлять и получать данные одновременно. Однако для реализации полнодуплексного режима в RS485 необходимо две пары скрученных проводов, что увеличивает стоимость и сложность проводки. Кроме того, вам понадобятся два модуля MAX485 для каждого устройства для отдельного управления каналами передачи и приема.
Компоненты, необходимые для связи RS485 с Arduino
Для реализации системы связи RS485 на Arduino вам потребуются следующие компоненты:
- Один или несколько Arduino: Подойдет любая модель Arduino, но в этом уроке мы будем использовать Arduino UNO и Arduino MEGA в качестве примеров.
- Модули MAX485: Эти модули позволяют преобразовывать сигналы TTL с Arduino в RS485 и наоборот. Они очень дешевы, и их легко найти в таких магазинах, как AliExpress или eBay.
- Согласующие резисторы: Резистор сопротивлением 120 Ом обычно размещается на каждом конце шины, чтобы избежать отражений в сигнале. На коротких расстояниях можно обойтись и без них, но при более длинных установках они необходимы для сохранения целостности сигнала.
- Кабели витая пара: Рекомендуется использовать витую пару для минимизации электромагнитных помех, особенно в шумных промышленных условиях.
Общая схема подключения
Подключите модули MAX485 для Arduino довольно просто. Наиболее важными контактами являются A и B, которые соответствуют линиям шины RS485. Эти контакты должны быть подключены ко всем устройствам на шине. Кроме того, модуль имеет контакты RE и DE, которые контролируют, находится ли модуль в режиме приемника или передатчика.
В целом подключение модулей к Arduino осуществляется следующим образом:
- VCC и GND модуля подключаются к VCC и GND на Arduino.
- DI (ввод данных) модуля подключается к выводу TX Arduino, если модуль должен действовать как эмиттер.
- RO (выход приемника) модуля подключается к выводу RX Arduino, если модуль должен действовать как приемник.
- DE и RE должны управляться с цифрового контакта Arduino для переключения между режимами передачи и приема.
Если вам нужно, чтобы модуль функционировал только как отправитель или получатель, вы можете подключить RE и DE напрямую к HIGH или LOW. Однако для более сложных коммуникаций, когда устройству приходится переключаться между передачей и приемом, лучше всего управлять этими контактами с помощью программного обеспечения.
Примеры кода для связи RS485
Ниже приведены несколько примеров, охватывающих различные конфигурации связи с RS485 на Arduino.
Симплексная связь
Код эмитента
Для базовой симплексной системы, где у нас есть только один отправитель и один получатель, код отправителя может выглядеть так:
void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { Serial.write(analogRead(0)); delay(500); }Код получателя
Приёмник просто прочитает данные, поступающие через последовательный порт:
void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { if (Serial.available()) { int data = Serial.read(); Serial.println(data); } }Полудуплексная связь
В этом примере мы реализуем полудуплексную систему, в которой устройства поочередно отправляют и получают данные.
Код учителя
const int reDePin = 2; void setup() { pinMode(reDePin, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { digitalWrite(reDePin, HIGH); Serial.write('H'); delay(100); digitalWrite(reDePin, LOW); if (Serial.available()) { int data = Serial.read(); Serial.println(data); } }Подчиненный код
const int reDePin = 2; void setup() { pinMode(reDePin, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { digitalWrite(reDePin, LOW); if (Serial.available()) { int data = Serial.read(); delay(100); digitalWrite(reDePin, HIGH); Serial.write(data + 1); } }Полнодуплексная связь
Для реализации полнодуплексной связи потребуются два модуля MAX485 на каждую Arduino. Каждая пара модулей будет обрабатывать одну линию данных: одну для передачи и одну для приема.
Код будет аналогичен предыдущим примерам, но в этом случае оба устройства всегда будут передавать и принимать одновременно.
Расширение до нескольких устройств через RS485
RS485 имеет возможность подключения до 32 устройств к одной шине, а в особых случаях может достигать большего числа устройств. Это делает его отличным выбором для проектов, включающих несколько микроконтроллеров или устройств. Чтобы идентифицировать каждое из них в сети, обычно для каждого устройства присваивается адрес или идентификатор.
В этом случае мастер отправит сообщение с адресом устройства, с которым он хочет связаться, и только это устройство будет отвечать за обработку сообщения и выдачу ответа.
К этому добавляется возможность использования более сложные протоколы такие как MODBUS, которые позволяют создавать высокоэффективные и безопасные сети в отрасли.
Для домашних проектов или менее требовательных приложений вы можете просто присвоить идентификатор каждому Arduino, и они будут отвечать только на сообщения, предназначенные для них.