集成與中控系統(tǒng)中的RS485串口通信技術(shù)

在中控系統(tǒng)使用串口Telnet的通訊中，在物理層主要是RS232C和RS485兩種傳輸協(xié)議是最常用的（Telnet屬于表示層的高層協(xié)議，而RS232C/485屬于物理層協(xié)議，請(qǐng)參考OSI模型解析）。RS232C屬于平衡半雙工雙點(diǎn)對(duì)傳傳輸協(xié)議，而RS485支持多點(diǎn)傳送的半雙工平衡傳輸協(xié)議，它們的區(qū)別除了一個(gè)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一個(gè)是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)外，傳輸距離也是有很大差別的。參見下表。

一、 連線

通常的RS485（正規(guī)名稱是TIA/EIA-485-A）是使用平衡雙線連接的。一共三條線分別為信號(hào)正、信號(hào)副和地線。數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸以前是非平衡的，經(jīng)過差分放大器后變成了平衡信號(hào)。見圖一。

圖一 RS485信號(hào)的連接方法

采用平衡連接的傳輸線其目的就是為了大幅度減少外界的干擾電平信號(hào)，它的原理和我們音頻中使用平衡傳輸是一樣的。理想的平衡傳輸信號(hào)其兩個(gè)正負(fù)極（見圖二，對(duì)應(yīng)的是1+和2+輸入）電平是時(shí)間上的嚴(yán)格對(duì)齊，1+的高電平，對(duì)應(yīng)2+的低電平，反之亦然。

圖二 理想的平衡RS485信號(hào)傳輸電平

盡管傳輸RS485信號(hào)可以采用任何導(dǎo)電導(dǎo)線，但是通常是使用雙絞線來連接為最佳。

二、 為什么使用雙絞線

從字面上解釋雙絞線就是一對(duì)長度相等的金屬絲互相螺旋狀擰在一起的導(dǎo)線對(duì)。為什么要使用雙絞線傳輸RS485信號(hào)呢？那是為了解決在長距離的高速網(wǎng)絡(luò)中存在的兩個(gè)主要問題：EMI（Electro Magnetic Interference：電磁干擾）輻射干擾和EMI接收干擾。

1、輻射干擾：在高速傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，接收端是依靠高低電平的垂直邊沿（上升沿/下降沿）來判斷數(shù)據(jù)的變化的，頻率越高，邊沿變化的越快，相應(yīng)的高頻奇次諧波含量也越高。下圖三是125kHz方波信號(hào)的FFT照片，由圖上我們可以看出它在5MHz上還有很大的諧波能量。

圖三 125kHz方波信號(hào)的FFT延伸到5MHz

由于高頻方波本身的輻射問題，再加之長線傳輸（此時(shí)的長線相當(dāng)于發(fā)射天線），其對(duì)外的輻射特性得到了加強(qiáng)。使用雙絞線則可以有效地抑制這種輻射干擾。其實(shí)它的原理很簡單，當(dāng)兩條平行對(duì)絞天線在輻射電磁波的時(shí)候，由于工作電平是反相，所以輻射電磁波將被抵消。當(dāng)然完全抵消只是個(gè)理論數(shù)值，抵消效果取決于對(duì)絞線的長度是不是完全一致，以及對(duì)絞密度和線間的緊合度，這些都是和對(duì)絞線的制作工藝有很大的關(guān)系。所以我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，用一些比較高檔的線（比如Belden 9841）可以傳輸更遠(yuǎn)的RS485信號(hào)，而且誤碼率很低。

2、接收干擾：這是針對(duì)接收端來說的抵抗干擾的能力。上面我們談到高頻傳輸線基本上相當(dāng)于一個(gè)天線，當(dāng)天線以對(duì)絞的方式傳輸反相信號(hào)的時(shí)候會(huì)抵消輻射電平。同樣的原理，它也會(huì)幫助接收端抵消輸入的噪聲信號(hào)。外部輸入來的“無用”噪聲信號(hào)在完全相等長度和均勻?qū)g的線對(duì)里面是以“共模信號(hào)（大小相同，方向相同）”存在的；而有用的信號(hào)在這里是以“差模信號(hào)（大小相同，方向相反）”存在的。而對(duì)接收端的差分放大器而言，它只接收差模信號(hào)而抑制共模信號(hào)（差分放大器有個(gè)電參數(shù)叫共模抑制比CMRR，一般大于60dB為優(yōu)）。

三、 雙絞線的特性阻抗

雙絞線的特性阻抗和其它高頻電纜一樣。要主意的是，特性阻抗和電阻是不同的概念。電阻可以用萬用表測出來，特性阻抗不能測。（阻抗是電阻和電抗的統(tǒng)稱，電阻部分是針對(duì)直流電路來說的，這部分用萬用表可以測量。但是電抗是指電纜間的容抗和感抗之和。電抗只是對(duì)交流信號(hào)有作用，信號(hào)的頻率越高，這種表現(xiàn)就越明顯）。電抗的單位也是歐姆，它的大小取決于雙絞線的線徑、絕緣體的導(dǎo)電能力（介電常數(shù)）、絕緣體和銅線的排列位置等。盡管TIA/EIA-485-A里面沒有特別指明這個(gè)特性阻抗的數(shù)值，一般地廠商都是將這個(gè)數(shù)值定在120Ω。見圖四。

圖四 雙絞線的特性阻抗

上圖我們可以看出來，雙絞線的特性阻抗從任何位置看都是處處相等的。高頻傳輸電纜和我們?cè)诘皖l的導(dǎo)線不同，高頻傳輸中，信號(hào)在任何環(huán)節(jié)的阻抗都必須相等，否則就會(huì)出現(xiàn)反射（參見《通信原理》）。信號(hào)反射會(huì)引起誤碼率的升高以及傳輸距離縮短。從前面對(duì)阻抗的分析可以開出來，高頻傳輸雙絞線若避免產(chǎn)生信號(hào)反射，主要取決于制線的工藝水平。要求阻抗“處處相等”就要求銅材和絕緣體的一致性，以及纏繞的均勻性。在使用過程中我們也要注意，對(duì)雙絞線擠壓、踩踏、卷曲等都會(huì)導(dǎo)致絕緣體與銅線之間的相對(duì)位置的改變而造成阻抗失配，失配將引起信號(hào)的反射。

一般來說，一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)是必須要加入終端電阻的，而且這個(gè)電阻的阻值必須和雙絞線匹配。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485雙絞線電纜來說，終端電阻應(yīng)該和雙絞線阻抗一致的120Ω。我們按照?qǐng)D五的方式分別連接不同的終端電阻進(jìn)行測量，看看連接54Ω和120Ω兩種電阻的電平傳遞失真特性。

圖五左側(cè)連接的54Ω，右側(cè)連接的是120Ω

從上圖我們可以看出來，對(duì)于120Ω特性阻抗的雙絞線來說，失配會(huì)引起比較強(qiáng)烈的反射，導(dǎo)致傳輸信號(hào)出現(xiàn)失真，引起誤碼。由于阻抗失配導(dǎo)致的信號(hào)反射失真率可以用下面的公式來計(jì)算：

終端電阻的加裝位置也是非常重要的，嚴(yán)格上講，它只能連接到雙絞線的兩個(gè)端點(diǎn)，而且應(yīng)該是兩端都加的。在實(shí)際應(yīng)用中，一般發(fā)送器都是只有1個(gè)，所以這種情況下發(fā)送端就可以不加這個(gè)電阻了，因?yàn)樗呀?jīng)沒有反向的電流了。

我們?cè)趯?shí)踐中可能發(fā)現(xiàn)這樣的問題，就是在一端加上了終端電阻，但是要小于120Ω，有時(shí)候小到60Ω才起作用。這是因?yàn)槟闶褂玫碾p絞線阻抗不正確導(dǎo)致的。通常的廉價(jià)的RS485傳輸線由于制造工藝的原因，阻抗是很不準(zhǔn)確的，而且是變化的很厲害，這樣會(huì)導(dǎo)致信號(hào)來回反射。此時(shí)如果加入了個(gè)小電阻，會(huì)加大傳送器的輸出電流。但是這樣做的結(jié)果是傳輸距離的大大縮短，可能要下降到150米以內(nèi)了。不過雙絞線的特性阻抗我們一般是無法測量的，所以單純從說明書上也很難判斷。前面我們舉例的美國Belden 9841雙絞線在國內(nèi)的零售價(jià)在10元/米，它的工藝就非常好，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和傳輸距離都接近理論值（距離達(dá)到1000米左右）。

現(xiàn)在的很多RS485終端設(shè)備在端口處都已經(jīng)自帶了120Ω的終端電阻了（參見設(shè)備指標(biāo)說明），這樣的設(shè)備連接就無須另外加終端電阻了。

四、 一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)的傳輸/接收能力

只有一對(duì)雙絞線構(gòu)成的RS485網(wǎng)絡(luò)到底可以同時(shí)連接多少個(gè)發(fā)送器/接收器呢？很多人想得到這個(gè)問題的答案，其實(shí)這個(gè)數(shù)量的限制在TEA/EIA-485-A的手冊(cè)上也沒有一個(gè)確切的說法。因?yàn)楸M管這種半雙工平衡RS485網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以同時(shí)存在多個(gè)發(fā)送器/接收器，但是其數(shù)量還是取決于每個(gè)接收器和所有非活動(dòng)發(fā)送器的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

理想的情況是一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)中的所有接收器和非活動(dòng)的發(fā)送器的阻抗都是無窮大的，這樣它們就不再消耗任何發(fā)送器能量，這種情況下對(duì)接收器和非活動(dòng)發(fā)送器的數(shù)量就沒有限制了。但是事實(shí)上這樣的情況是沒有的。由于接收器和其它的發(fā)送器都將成為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，所以實(shí)際的連接數(shù)量還要根據(jù)雙絞線的質(zhì)量來確定了。

舉例子，如果采用最優(yōu)質(zhì)的RS485雙絞線，阻抗嚴(yán)格為120Ω的時(shí)候，采用MAXIM的Max3485發(fā)送器和Max487接收器，最多可以同時(shí)連接32個(gè)Max3485發(fā)送器和128個(gè)Max487接收器。這個(gè)情況可能是“最好”的了吧。

五、 正確的RS485連接方式

結(jié)合上面對(duì)RS485網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析，現(xiàn)在給出幾種正確的連接方式供參考。

1、一個(gè)發(fā)送器一個(gè)接收器。參見圖六。

這是一種最常見的連接方式，在這種連接下，終端電阻盡管有些多余（可以不用），但是養(yǎng)成一種良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣也是十分必要的。

圖六一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器的正確連接

2、 一個(gè)發(fā)送器，多個(gè)接收器。見圖七。

這種連接方式也是比較常見，這里要注意兩個(gè)問題，一個(gè)就是末端的終端電阻一定要加上；另一個(gè)問題就是分支線一定要短，通常要少于1米，這點(diǎn)非常重要，否則這段支線可能會(huì)引起阻抗的失配，導(dǎo)致誤碼率的升高。

圖七一個(gè)發(fā)送器和多個(gè)接收器的正確連接

3、一對(duì)收發(fā)器。見圖八。

這也是一種常見的連接，其原理與圖六是相同的。

圖八 兩對(duì)收發(fā)器的正確連接

4、多對(duì)收發(fā)器。見圖九。

它的原理和圖七也是相似的，重要的也是要注意終端電阻的添加（注意，不能將最兩邊的收發(fā)器外側(cè)的終端電阻省略），還有就是分支線要盡量地短。

圖九 多對(duì)收發(fā)器的正確連接

六、 錯(cuò)誤的RS485連接方式

另外的幾種連接情況，可能會(huì)引起傳輸距離以及誤碼率的提高問題，希望能引起大家的注意。

1、無終端電阻匹配。見圖十。

可能讀者會(huì)注意，這種連接和圖六非常相似，只是在分支線以后還有100英尺的懸空線。在圖六中我們說，那個(gè)終端電阻是可以省略的，那么為什么增加了這100英尺的懸空線就成了錯(cuò)誤連接了呢？這個(gè)就是高頻信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。高頻電路分析中，我們不能以低頻信號(hào) “電路”的概念去理解信號(hào)的傳遞。圖十中當(dāng)主信號(hào)延干線繼續(xù)向右傳遞的時(shí)候，由于末端沒有連接終端電阻，所以信號(hào)在完全失配的情況下會(huì)完全反射（終端在開路和短路的情況下，對(duì)于高頻信號(hào)來說都是全反射，只是相位不同）。全反射的信號(hào)會(huì)在干線上與正向信號(hào)疊加，由于距離的原因，反向傳遞的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)雜亂的疊加，其結(jié)果就是引起輸出端的信號(hào)嚴(yán)重失真，引起誤碼。

圖十 無終端匹配的錯(cuò)誤連接

圖十中的信號(hào)測量結(jié)果在下半部分左側(cè)（測量點(diǎn)在A-B），我們和圖十右下側(cè)的匹配狀態(tài)波形做比較可以看出全反射對(duì)信號(hào)的影響。所以我們?cè)诠こ讨幸⒁?，高頻信號(hào)的延長線要做好處理，不要以為什么都不連接就沒有問題。

2、錯(cuò)誤的終端電阻安裝位置。見圖十一。

依據(jù)圖十的問題，如果沒有將終端電阻放置在主干線的末端，而是放置在其它位置，盡管這樣可以對(duì)前段的阻抗做出匹配，但是終端電阻到雙絞線電纜末端的地方依然會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，并與發(fā)送信號(hào)疊加形成誤碼。誤碼的形狀參見圖十一的左下（測量點(diǎn)在A-B）。讀者可以和右下側(cè)的正確終端電阻連接波形進(jìn)行比較。

圖十一 不正確的終端電阻連接

3、多重線纜并聯(lián)。見圖十二。

這樣的連接也是常見的錯(cuò)誤。而且可能會(huì)引起更多的問題。

圖十二 錯(cuò)誤的多重線纜并聯(lián)

第一個(gè)問題是RS485發(fā)送器的設(shè)計(jì)是為驅(qū)動(dòng)一條電纜的，當(dāng)并聯(lián)四條電纜的時(shí)候，其驅(qū)動(dòng)能力明顯下降，這就意味著一些比較小的邏輯電平將無法傳送，傳輸距離也大打折扣。第二個(gè)問題就是特性阻抗的變化。在打結(jié)點(diǎn)，四條分支線并聯(lián)在一起會(huì)引起負(fù)載阻抗的嚴(yán)重失配，信號(hào)的反射情況將更為劇烈。

4、過長的分支電纜。見圖十三。

圖十三過長的支線也會(huì)引起阻抗失配

與圖七類似，但是不同的地方是分支線長度過長。盡管此時(shí)在干線末端已經(jīng)正確地連接了負(fù)載阻抗，但是太長的支線與右側(cè)干線之間的并聯(lián)關(guān)系依然使阻抗產(chǎn)生失配，這種情況下低電平段將發(fā)生信號(hào)畸變，畸變波形見圖十三左下（測量點(diǎn)在A-B），并與右下側(cè)正確的短支線連接對(duì)比。

讀者可以將圖十三和圖十左比較可以發(fā)現(xiàn)，干線上的完全反射影響的是高電平信號(hào)，而支線引發(fā)的阻抗失配主要是引起低電平信號(hào)畸變。

參考文獻(xiàn)：

1. TIA/EIA-485-A Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems

2. TSB89 Application Guidelines for TIA/EIA-485-A