אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
פרוטוקול RS485 – המדריך המקיף והמלא
תוכן עניינים
מבוא
פרוטוקול RS485 הוא אחד הפרוטוקולים החשובים והנפוצים בעולם התקשורת התעשייתית. בניגוד לתקשורת פשוטה בין שני מכשירים, כמו זו שמתקיימת בין המחשב למדפסת, RS485 מאפשר לחבר מספר רב של מכשירים על אותו זוג חוטים ולנהל ביניהם תקשורת מסודרת ואמינה. זהו פרוטוקול שפותח במיוחד לסביבות תעשייתיות, שבהן נדרשת תקשורת אמינה למרחקים ארוכים ובסביבות רועשות חשמלית.
למה צריך RS485?
כשאנחנו רוצים לחבר הרבה מכשירים שצריכים לתקשר זה עם זה, אנחנו נתקלים בכמה אתגרים משמעותיים. ראשית, אם כל המכשירים ינסו “לדבר” בו-זמנית, יווצר בלגן שבו אף אחד לא יבין אף אחד – בדיוק כמו בכיתה שבה כולם מדברים יחד. שנית, ככל שהמרחק בין המכשירים גדל, האותות החשמליים נחלשים ונהיים רגישים יותר להפרעות מהסביבה.
RS485 פותר את הבעיות האלה בצורה חכמה.
הוא מאפשר:
א. חיבור של עד 32 מכשירים (ובגרסאות מתקדמות אף יותר).
ב. העברת מידע למרחק של עד 1,200 מטר.
ג. תקשורת אמינה גם בסביבות תעשייתיות רועשות.
ד. מהירות תקשורת גבוהה (עד 10Mbps במרחקים קצרים).
המבנה הפיזי והחשמלי
בתקשורת RS485 משתמשים בשני חוטים מפותלים זה סביב זה (Twisted Pair). זה לא סתם – הפיתול של החוטים הוא טריק חכם שעוזר להפחית הפרעות חשמליות מהסביבה. זה עובד באותו עיקרון כמו אוזניות עם חוטים מפותלים שסובלות פחות מרעשים חיצוניים.
איך עובד RS485
שיטת העברת המידע
בשונה מתקשורת רגילה שמשתמשת במתח יחיד (כמו USB שמשתמש ב-5V), RS485 משתמש בשיטה מיוחדת שנקראת “תקשורת דיפרנציאלית”. במקום להעביר את האות על חוט אחד, משתמשים בשני חוטים (A ו-B) שבהם האות מועבר בצורה הפוכה זה לזה.
כשרוצים לשדר ‘1’, למשל:
– חוט A מקבל מתח חיובי (2V+)
– חוט B מקבל מתח שלילי (2v-)
– ההפרש ביניהם הוא 4V
כשרוצים לשדר ‘0’:
– חוט A מקבל מתח שלילי (2V-)
– חוט B מקבל מתח חיובי (2V+)
– ההפרש ביניהם הוא 4V-
למה זה כל כך חכם? נניח שיש הפרעה חשמלית שמוסיפה 1V לשני החוטים. בשיטה רגילה זה היה יכול לגרום לטעות, אבל בשיטה הדיפרנציאלית ההפרש בין החוטים נשאר אותו דבר! זו הסיבה שRS485 כל כך אמין גם בסביבות רועשות.
איך מחברים מכשירים לרשת RS485?
החיבור נעשה בצורת “שרשרת” או “אוטובוס” – כלומר, כל המכשירים מחוברים לאותם שני חוטים מרכזיים. בקצוות הקו חייבים להתקין נגדי סיום (termination resistors) של 120Ω שתפקידם למנוע החזרות של האות שיכולות לגרום להפרעות.
פרוטוקול התקשורת ב-RS485
בתקשורת RS485 יש כללים ברורים לגבי איך המכשירים “מדברים” ביניהם. בדיוק כמו בשיחה מסודרת בכיתה, צריך להרים יד לפני שמדברים – אי אפשר שכולם ידברו בו-זמנית.
איך זה עובד?
1. מבנה מאסטר-סלייב (Master-Slave):
– יש מכשיר אחד ראשי (מאסטר) שמנהל את התקשורת.
– כל שאר המכשירים (סלייבים) מדברים רק כשפונים אליהם.
– זה מונע התנגשויות בתקשורת.
2. כתובות ייחודיות:
– לכל מכשיר ברשת יש כתובת ייחודית משלו (בדרך כלל מספר בין 0 ל-255).
– זה כמו מספר תעודת זהות שמזהה כל מכשיר.
3. מבנה ההודעות:
כל הודעה ברשת כוללת:
א. כתובת המכשיר אליו פונים.
ב. פקודה או בקשה.
ג. נתונים (אם יש).
ד. ביקורת שגיאות (כדי לוודא שההודעה הגיעה בשלמותה).
דוגמה מעשית
נניח שיש לנו מערכת בקרת טמפרטורה במפעל עם כמה חיישנים:
1. המאסטר (בקר מרכזי) שולח בקשה לחיישן מספר 5 לקבל את הטמפרטורה.
2. כל החיישנים “שומעים” את הבקשה, אבל רק חיישן 5 מגיב.
3. חיישן 5 שולח חזרה את קריאת הטמפרטורה.
4. המאסטר מקבל את המידע ועובר לחיישן הבא.
תרשים חיבורי רשת RS485
הסבר מפורט של תרשים
המבנה הבסיסי של הרשת
המאסטר הוא המוח של המערכת, האחראי על ניהול כל התקשורת ברשת. הוא מחובר באמצעות שלושה חוטים חיוניים: חוט D+ בצבע כתום להעברת האות החיובי, חוט D- בצבע סגול להעברת האות השלילי, וחוט GND שחור שמספק נקודת ייחוס משותפת לכל המערכת.
הסלייבים והחיבור שלהם
כל סלייב ברשת (SLAVE 1, 2, 3) מחובר באותה צורה בדיוק. הם מקבלים את אותם שלושה חוטים – D+, D- ו-GND. כל סלייב מאזין לקו התקשורת, אבל מגיב רק כשהוא מזהה פקודה המיועדת אליו. החיבור נעשה בצורת “אוטובוס” – כלומר, כל החוטים עוברים ממכשיר למכשיר בצורה רציפה.
מערכת ההגנה מרעשים
החוטים D+ ו-D- מפותלים זה סביב זה, וזה לא במקרה. הפיתול הזה מגן על התקשורת מהפרעות חיצוניות. כשמגיעה הפרעה חשמלית, היא משפיעה על שני החוטים באותה מידה, וכך המידע נשאר מוגן ואמין. זו אחת הסיבות שRS485 כל כך אמין בסביבות תעשייתיות.
הגנה נוספת – נגדי סיום
בקצוות הרשת מותקנים נגדי סיום של 120Ω. למרות שהם לא מופיעים בתרשים, הם חיוניים למניעת “הדים” של האותות החשמליים. הנגדים האלה פועלים כמו ספוג שסופג גלים חוזרים ומונע הפרעות בתקשורת.
כללי תכנון חשובים
1. יש לשמור על חיבור ישיר וללא הסתעפויות.
2. להשתמש בכבלים מפותלים איכותיים.
3. להרחיק את הכבלים ממקורות רעש חשמלי.
4. לוודא שאורך הרשת לא עולה על 1,200 מטר.
דרך חיבור זו מאפשרת תקשורת אמינה ויציבה בין כל המכשירים ברשת, גם במרחקים גדולים ובסביבות מאתגרות.
כיצד המאסטר מתקשר עם הסלייבים? – הסבר מפורט
עקרון הפנייה והכתובות
בכל רשת RS485, לכל סלייב יש “כתובת” ייחודית – מספר שמזהה אותו (בדרך כלל בין 1 ל-255). זה בדיוק כמו מספר דירה בבניין – כך המאסטר יודע למי הוא פונה.
איך זה עובד בפועל?
כשהמאסטר רוצה לקבל מידע מסלייב מסוים, הוא שולח “חבילת מידע” שכוללת:
1. כתובת הסלייב הרצוי.
2. מה הוא רוצה ממנו (למשל: “תשלח לי את קריאת הטמפרטורה”).
3. ביט ביקורת לוודא שההודעה הגיעה בשלמותה כל הסלייבים “שומעים” את ההודעה, אבל רק זה שהכתובת שלו תואמת יגיב.
דוגמה עם ארדואינו
הנה דוגמה פשוטה איך זה נראה בקוד:
#include <SoftwareSerial.h>
// יצירת חיבור טורי על פינים 2,3
SoftwareSerial rs485(2, 3); // RX, TX
void setup()
{
// אתחול התקשורת
rs485.begin(9600);
}
void loop()
{
// שליחת בקשה לסלייב מספר 1
rs485.write(1); // כתובת הסלייב
rs485.write(0x03); // קוד הפקודה (לדוגמה: "שלח לי נתונים")
// המתנה לתשובה
delay(100);
// קריאת התשובה אם הגיעה
if(rs485.available())
{
int answer = rs485.read();
// עיבוד התשובה...
}
}
יתרונות וחסרונות של RS485
יתרונות משמעותיים
1. עמידות לרעשים חשמליים: השיטה הדיפרנציאלית של העברת המידע הופכת את RS485 לעמיד במיוחד להפרעות חשמליות. זו הסיבה שהוא כל כך נפוץ בסביבות תעשייתיות שבהן יש הרבה רעש חשמלי ממכונות ומנועים.
2. מרחק תקשורת ארוך: בעוד שחיבור USB רגיל מוגבל למספר מטרים בודדים, RS485 יכול להעביר מידע למרחק של עד 1,200 מטר! זה הופך אותו לאידיאלי למפעלים גדולים או מבנים ארוכים.
3. חיבור מרובה מכשירים: היכולת לחבר עד 32 מכשירים (ובגרסאות מיוחדות אפילו 256) על אותו זוג חוטים חוסכת המון בחיווט ומפשטת את המערכת.
4. עלות נמוכה: הצורך בשני חוטים בלבד והחומרה הפשוטה יחסית הופכים את RS485 לפתרון חסכוני.
חסרונות
1. מהירות מוגבלת: ככל שהמרחק גדל, מהירות התקשורת יורדת. במרחקים ארוכים המהירות יכולה לרדת עד ל-100Kbps.
2. צורך בתיאום: כל המכשירים חייבים להשתמש באותה מהירות תקשורת ואותן הגדרות כדי לתקשר ביניהם.
יישומים נפוצים של RS485
בתעשייה ובקרת מבנים
במפעלים ומבנים גדולים, RS485 משמש לחיבור:
– חיישני טמפרטורה, לחות ולחץ.
– בקרי מנועים ומכונות.
– מערכות בקרת תאורה.
– מערכות אבטחה ובקרת כניסה.
אוטומציה ביתית חכמה
– בקרת מיזוג אוויר מרכזי.
– מערכות תאורה חכמות.
– בקרת השקיה.
– בקרת דודי שמש.
המלצות לשימוש יעיל
תכנון המערכת
1. טופולוגיית החיבור:
– תמיד לחבר בצורת “קו ישר” (Bus).
– להימנע מחיבורי “כוכב” או “עץ”.
– להקפיד על נגדי סיום בקצוות.
2. בחירת כבלים:
– להשתמש בכבלים מפותלים איכותיים.
– להקפיד על הארקה נכונה.
– להרחיק מכבלי מתח גבוה.
