1 引言
1983 年，電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA) 批準(zhǔn)了一個(gè)新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，稱之為 RS-485。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，RS-485 備受贊譽(yù)并被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類產(chǎn)品，成為了工業(yè)接口的主力規(guī)范。
本應(yīng)用報(bào)告為那些對(duì)RS-485標(biāo)準(zhǔn)不熟的工程師提供設(shè)計(jì)指南，幫助他們在最短的時(shí)間內(nèi)完成穩(wěn)健而可靠的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。
本應(yīng)用報(bào)告為那些對(duì) RS-485 標(biāo)準(zhǔn)不熟的工程師提供設(shè)計(jì)指南，幫助他們在最短的時(shí)間內(nèi)完成穩(wěn)健而可靠的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。2 標(biāo)準(zhǔn)和特性
RS-485 僅是一個(gè)電氣標(biāo)準(zhǔn)。與定義功能、機(jī)械和電氣規(guī)格的完整接口標(biāo)準(zhǔn)相比，RS-485 僅定義了使用平衡多點(diǎn)傳輸線的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性。
但是，很多更高級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)將 RS-485 規(guī)定為引用標(biāo)準(zhǔn)，例如中國的電能表通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) DL/T645 就明確指定以RS-485 作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。
RS-485 的主要特性：
?平衡接口?多點(diǎn)采用單一 5V 電源?–7V 至 +12V 總線共模范圍?多達(dá) 32 個(gè)單位負(fù)載?10Mbps 最大數(shù)據(jù)速率（距離為 40 英尺）?4000 英尺的最大電纜長度（速率為 100kbps）3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用菊花鏈連接其節(jié)點(diǎn)，也稱為合用線或總線拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參閱圖 3-1）。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所使用的驅(qū)動(dòng)器、接收器和收發(fā)器通過短網(wǎng)存根接入主干線。接口總線可被設(shè)計(jì)用于全雙工或半雙工傳輸（請(qǐng)參閱圖3-2）。
全雙工實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)信號(hào)對(duì)（四根電線），以及全雙工收發(fā)器，其具有用于發(fā)送器和接收器的單獨(dú)總線訪問線路。全雙工模式允許節(jié)點(diǎn)在一個(gè)對(duì)上發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)在另一個(gè)對(duì)上接收數(shù)據(jù)。
在半雙工模式下，僅使用一對(duì)信號(hào)，并要求在不同的時(shí)間驅(qū)動(dòng)和接收數(shù)據(jù)。兩種實(shí)現(xiàn)方式都需要通過方向控制信號(hào)（例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào)）對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，確保在任何時(shí)候總線上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài)。多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)訪問總線會(huì)導(dǎo)致總線爭用，這在任何時(shí)候都必須通過軟件控制來加以避免。4 信號(hào)電平符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器可在 54Ω 負(fù)載上提供不小于 1.5V 的差分輸出，而符合該標(biāo)準(zhǔn)的接收器可檢測到低至200mV 的差分輸入。即使在電纜和連接器的信號(hào)嚴(yán)重衰減的情況下，這兩個(gè)值仍能為高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸提供了充足的余量。這種穩(wěn)健性是 RS-485 非常適合在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行長距離聯(lián)網(wǎng)的主要原因。
5 電纜類型在雙絞線上傳輸差分信號(hào)對(duì) RS-485 應(yīng)用是有利的，因?yàn)橥獠扛蓴_源會(huì)以共模方式均等的耦合到兩根信號(hào)線上，這些噪聲會(huì)被差分接收器過濾掉。工業(yè) RS-485 電纜分為有保護(hù)套、無保護(hù)套、雙絞線、非屏蔽雙絞線，符合 22-24AWG 線規(guī)的電纜特性阻抗為120Ω。圖 5-1 所示為四線對(duì)電纜的橫截面，這種非屏蔽雙絞線通常用于 2 個(gè)全雙工網(wǎng)絡(luò)。兩對(duì)和單對(duì)版本的類似電纜可用于低成本的半雙工系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
除網(wǎng)絡(luò)布線外，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制設(shè)備的印制電路板布局和連接器要與網(wǎng)絡(luò)的電器特性保持一致，可以通過使印制電路板上的兩根信號(hào)線盡可能靠近并等長來實(shí)現(xiàn)。6 總線終端和存根長度為避免信號(hào)反射，數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)始終端接，并且存根應(yīng)盡可能的短。正確的端接需要終端電阻 RT 和傳輸電纜的特性阻抗 Z0 匹配。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議采用 Z0 = 120W 的電纜，因此電纜干線通常與 120 電阻端接，線纜的末尾處各一個(gè)（請(qǐng)參閱圖 6-1 左半部分）。
在噪聲環(huán)境下的應(yīng)用通常將 120Ω 電阻替換為兩個(gè) 60Ω 電阻，組成一個(gè)低通濾波器，用于提供額外的共模噪聲濾除能力（請(qǐng)參閱圖 6-1 右半部分）。請(qǐng)務(wù)必匹配電阻值（宜使用精度為 1% 的電阻），確保兩個(gè)濾波器的頻率降幅相等。較大的電阻容限（即 20%）會(huì)導(dǎo)致濾波器轉(zhuǎn)折頻率不同，并且共模噪聲會(huì)轉(zhuǎn)換為差分噪聲，從而使接收器的抗擾性降低。存根的電氣長度（收發(fā)器與電纜干線之間的距離）應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器輸出上升時(shí)間的 1/10，并通過以下公式得出：
表 6-1 列出了圖 5-1 中（78% 速率）與各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的最大存根長度。
7 失效保護(hù)失效保護(hù)使得接收器在缺少輸入信號(hào)時(shí)有能力輸出一個(gè)確定的狀態(tài)。有三種可能的原因會(huì)導(dǎo)致信號(hào)丟失 (LOS)：
1.開路：線纜中斷或者收發(fā)器從總線斷開
2.短路：差分對(duì)的導(dǎo)線因絕緣層失效而接觸在一起
3.總線空閑：所有總線驅(qū)動(dòng)器均未處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。上述條件下，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，會(huì)使傳統(tǒng)的接收器輸出隨機(jī)狀態(tài)，現(xiàn)在的收發(fā)器內(nèi)部都包含一個(gè)偏置電路，可以對(duì)開路、短路和總線空閑進(jìn)行保護(hù)，即使信號(hào)丟失時(shí)，接收器也能強(qiáng)制輸出一個(gè)確定的狀態(tài)。這些失效保護(hù)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是最壞情況下的噪聲容限僅為 10mV，因此在干擾環(huán)境中，要增加外部失效保護(hù)電路以增加噪聲容限。外部失效保護(hù)電路由一個(gè)電阻分壓器組成，可以產(chǎn)生足夠的總線差分電壓，以驅(qū)動(dòng)接收器產(chǎn)生一個(gè)確定的輸出狀態(tài)。為了確保有足夠的噪聲容限，除了 200mV 的接收器輸入閾值外，VAB 還必須包括測得的最大差分噪聲，VAB= 200mV + V 噪聲。
最小總線電壓為 4.75V、(5V – 5%)、VAB = 0.25V 和 Z0 = 120W 時(shí)，RB 為 528W。向 RT 插入兩個(gè) 523W 串聯(lián)電阻器會(huì)建立如圖 7-1 所示的失效保護(hù)電路。
8 總線負(fù)載驅(qū)動(dòng)器的輸出取決于其必須提供給負(fù)載的電流，因此在總線上增加收發(fā)器和失效防護(hù)電路會(huì)增加所需的總負(fù)載電流。為了估算可能的最大總線負(fù)載數(shù)，RS-485 指定了一個(gè)單位負(fù)載 (UL) 的假設(shè)項(xiàng)，它表示大約 12kW 的負(fù)載阻抗。符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)這些單位負(fù)載中的 32 個(gè)。現(xiàn)如今使用的收發(fā)器通常可以減少單位負(fù)載，例如1/8 UL，從而在總線上連接多達(dá) 256 個(gè)收發(fā)器。失效防護(hù)偏置可貢獻(xiàn)多達(dá) 20 個(gè)單位的總線負(fù)載，因此收發(fā)器的最大數(shù)量 N 減少為：
因此，當(dāng)使用 1/8-UL 收發(fā)器時(shí)，最多可將 96 個(gè)器件連接到總線。
9 數(shù)據(jù)速率與總線長度在給定數(shù)據(jù)速率下，最大總線長度受到傳輸線損耗和信號(hào)抖動(dòng)的限制。當(dāng)波特周期的抖動(dòng)為 10% 或以上時(shí)，數(shù)據(jù)可靠性會(huì)急劇下降，圖 9-1 則顯示了傳統(tǒng) RS-485 電纜在 10% 信號(hào)抖動(dòng)下的電纜長度與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。
10 最小節(jié)點(diǎn)間距RS-485 總線是一種分布式參數(shù)電路，其電氣特性主要由沿物理介質(zhì)（包括互連電纜和印刷電路板軌線）分布的電感和電容決定。以器件及其互連的形式向總線添加電容會(huì)降低總線阻抗，并導(dǎo)致總線的介質(zhì)和負(fù)載部分阻抗不匹配。當(dāng)輸入信號(hào)到達(dá)這些位置時(shí)，會(huì)有部分反射回信號(hào)源，造成驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)失真。要確保從驅(qū)動(dòng)器輸出的第一個(gè)信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌鬏斎攵藭r(shí)電壓電平仍有效，需要總線上任何一處的最小負(fù)載阻抗Z'> 0.4 x Z0 ，這可以通過在總線節(jié)點(diǎn)之間保持最小距離 d 來實(shí)現(xiàn)：
其中 CL 是集總負(fù)載電容，C 是每單位長度的介質(zhì)電容（電纜或 PCB 軌線）。
方程式 4 顯示了最小器件間距與分布式介質(zhì)和集總負(fù)載電容的函數(shù)關(guān)系；圖 10-1 以圖形方式展示了這種關(guān)系。負(fù)載電容來自線路電路總線引腳、連接器觸點(diǎn)、印刷電路板軌線、保護(hù)器件以及與干線的任何其他物理連接。因此，總線到收發(fā)器（存根區(qū)域）的電氣距離要盡可能短。下面介紹了各個(gè)電容的容值：5V 收發(fā)器的電容通常為 7pF，而 3V 收發(fā)器的電容約為 16pF 的兩倍。電路板軌線視其結(jié)構(gòu)而定，每厘米大約增加 0.5~0.8pF 電容。連接器和抑制器件的電容可能范圍會(huì)很大。介質(zhì)分布式電容范圍是 40pF/m（低電容非屏蔽雙絞線電纜）至 70pF/m（背板）。11 接地和隔離設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須假定存在很大的接地電勢差 (GPD)。這些電壓 Vn 會(huì)以共模干擾的形式疊加到傳輸線上。即使總疊加信號(hào)在接收器輸入共模范圍內(nèi)，依靠本地接地作為可靠地電流回路也是很危險(xiǎn)的（請(qǐng)參閱圖 11-1a）。
由于遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)可能會(huì)從電氣裝置的不同部分汲取功率，當(dāng)對(duì)這類裝置進(jìn)行修改（即在維護(hù)工作期間）時(shí)，會(huì)使接地電勢差超出接收器的輸入共模范圍。因此，今天可正常工作的數(shù)據(jù)鏈路可能會(huì)在將來的某個(gè)時(shí)候停止運(yùn)行。建議也不要通過接地線直接連接遠(yuǎn)端地（請(qǐng)參閱圖 11-1b），這是因?yàn)榇蟮沫h(huán)路地電流會(huì)以共模噪聲的形式駕到信號(hào)線上。為了直接連接遠(yuǎn)端地，RS485 標(biāo)準(zhǔn)建議通過插入電阻器將器件地與本地系統(tǒng)地隔離開（見圖 11-1c）。盡管這個(gè)方法減小了環(huán)路電流，但是大環(huán)路地的存在仍使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)環(huán)路沿線某處產(chǎn)生的噪聲敏感。因此，到現(xiàn)在為止，尚未建立一個(gè)強(qiáng)健的數(shù)據(jù)鏈路。一個(gè)可以容忍數(shù)千伏接地電勢差并且強(qiáng)健的可長距離傳輸?shù)?RS-485 數(shù)據(jù)鏈路方法是信號(hào)及供電電源隔離（請(qǐng)參閱圖 11-2）。
在這種情況下，電源隔離器（例如隔離的直流/直流轉(zhuǎn)換器）和信號(hào)隔離器（例如數(shù)字電容隔離器）可防止電流在遠(yuǎn)程系統(tǒng)地之間流動(dòng)，并避免產(chǎn)生環(huán)路電流。而圖 11-2 僅顯示了兩個(gè)收發(fā)器節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)連接，圖 11-3 給出了多個(gè)隔離收發(fā)器的示例。除一個(gè)收發(fā)器外，所有收發(fā)器均通過隔離接入總線。左側(cè)的非隔離收發(fā)器為整個(gè)總線提供了單接地基準(zhǔn)。
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