Модуль двухканального изолированного интерфейса RS485 RPi HAT

Модуль расширения двухканального интерфейса RS485 HAT от Waveshare спроектирован специально для популярной микрокомпьютерной платформы Raspberry Pi. Он позволяет организовать управление любым промышленным оборудованием с поддержкой современного стандарта RS485 по двум независимым друг от друга каналам, с суммарным охватом до 62 сетевых узлов. Плата расширения позиционируется на двух ключевых сигналопреобразующих контроллерах SC16IS752 (SPI/UART-TTL) и SP3485 (UART-TTL/RS485). Модуль дополнительно оснащён схемой многоуровневой защиты и безопасности с полноценным электрическим разделением передающей-принимающей сторон и согласованием рабочих напряжений 3.3В/5В. В него интегрированы элементы оптической и цифровой развязки сигнальных линий, присутствует защита по питанию, установлены подавители переходного напряжения (TVS-супрессоры) и SMD-предохранители для балансной линии. Модуль расширения функционирует в двух режимах управления каналами приёмопередатчика RS485 — автоматическом и ручном. Плата 2-канального интерфейса RS485 для RPi обладает высокой стабильностью, надёжностью, и скоростью передачи информации до 2Мбод (зависит от режима).

Технические характеристики

• Модель: 2-channel RS485 HAT Wavwshare (SKU 17221)
• Питание: 5В постоянного тока DC
• Напряжение логики: 3.3В (встроенный LDO)
• Преобразователь SPI/UART-TTL: SC16IS752 NXP
• Приёмопередатчик UART-TTL/RS485: 2х SP3485 Sipex
• Нагрузочная способность: до 32 узлов в одном сегменте
• Режим работы RS485: полудуплексный
• Режим передачи RS485: дифференциальный сигнал (балансный)
• Чувствительность приёмника RS485: 200 мВ
• Сопротивление входа приёмника RS485: 12 кОм
• Интегрированный согласующий резистор (терминатор): 2x 120 Ом
• Интерфейсы: SPI, 2x RS485
• Скорость связи: 300~921600 бит/с (макс. 2Мбит/с)
• Светодиодная индикация: питание платы, активность трансляционных каналов
• Выводы RS-485: винтовые клеммы, штыревые контакты
• Монтажные отверстия: 4 х Ø3мм
• Размер платы: 65 × 56.5мм
• Совместимость с моделями Raspberry Pi: Zero W; Zero WH; все полноразмерные платы с 40-контактным разъёмом GPIO, начиная со 2-го поколения

Интерфейс RS-485, физический уровень передачи данных

Интерфейсу RS-485 не требуются отдельные импульсы синхронизации передаваемых данных. В RS-485 заложен принцип дифференциальной передачи бинарной информации от одного устройства к другим. Двунаправленная трансляция сигнала между устройствами с интерфейсом RS-485 осуществляется по двум скрученным проводам. Третий "общий" провод нередко используется для улучшения качества связи и стабилизации работы интерфейса, уравнивающий потенциал заземления подключенных к шине RS-485 устройств, однако не является обязательным. Оптимальным кабелем для соединения узлов на практике считается витая пара со средним волновым сопротивлением 100-120 Ом. Уровень напряжения в линиях А и В может варьироваться от -7В до +12В (зависит от модели приёмопередатчика и его рабочего напряжения). Приёмники устройств на шине RS-485 чувствительны к разнице потенциалов между линиями А и В. При приёме логической единицы, разность потенциалов на входе положительна (А больше В минимум на 200 мВ), при приёме логического нуля, разность на линиях отрицательна (А меньше В минимум на 200 мВ). Значение разницы между потенциалами А и В меньше 200 мВ подразумевает отсутствие сигнала. Интерфейс RS-485 ограничен одним условием — передача сигнала для всех активных приёмников осуществляется единственным передатчиком.

Возведение сложных сетей в рамках RS-485, включающих ответвления сегментов или размещение узлов на значительно больших расстояниях, обязывает добавление специальных усилителей сигнала и повторителей (репитеров). При высокой скорости передачи между узлами, на длинных участках линии возможно возникновение искажения сигнала, связанное с эффектом его обратного отражения. Для погашения колебания сигнала, на концах каждого длинного участка сетей RS-485 устанавливаются так называемые терминаторы — согласующие резисторы с номиналом, равным волновому сопротивлению соединительного кабеля.

Компоненты платы

1. Чип SC16IS752 преобразователя интерфейсов SPI/UART-TTL 2. Цифровой изолятор ADUM1412 3. Транзисторная оптопара PC817 4. RS485 приёмопередатчик SP3485 5. Стабилизатор напряжения питания с гальванической развязкой B0505LS-1W 6. Контроллер 3.3-вольтового напряжения 7. Диодная матрица подавления скачков переходного напряжения SMAJ12CA 8. Самовосстанавливающийся предохранитель.

9. Индикатор состояния PWR напряжения питания платы, RXD/TXD каналов приёмопередачи шины UART-TTL 10. Стандартный 40-контактный соединительный разъём GPIO Raspberry Pi 11. Винтовые клеммы интерфейса RS485 12. Разъём подключение внешнего хост-контроллера наподобие Arduino или STM 13. Перемычка терминатора 120 Ом 14. Перемычка порта GPIO выхода прерываний SC16IS752 15. Переключатель рабочих режимов: автоматический A=0, B=1 ручной A=1, B=0

Активные порты стандартного 40-контактного разъёма GPIO RAspberry Pi

Программное обеспечение

1. Библиотека демонстрационного кода
2. Библиотека демонстрационного кода (gitHub)

Документация

1. Спецификация приёмопередатчика SP3485 в стандарте RS485 (англ., PDF)
2. Спецификация преобразователя интерфейсов SC16IS752 SPI/UART-TTL (англ., PDF) / зеркало
3. Электрическая принципиальная схема модуля (PDF)