提高RS-485網(wǎng)絡(luò )可靠性的若干措施

建議性標準RS-485作為一種多點(diǎn)、差分數據傳輸的電氣規范現已成為業(yè)界應用最為廣泛的標準通信接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對雙絞線(xiàn)上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長(cháng)度及可靠性是其他標準無(wú)法比擬的。正因為此，許多不同領(lǐng)域都采用RS-485作為數據傳輸鏈路。例如汽車(chē)電子、電信設備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制、儀器儀表等等。這項標準得到廣泛接受的另外一個(gè)原因是它的通用性。RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶(hù)可以建立自己的高層通信協(xié)議。

盡管RS-485標準已被廣泛接受，但是對于它在實(shí)際應用中的一些具體問(wèn)題并沒(méi)有得到深入廣泛的認識，甚至存在著(zhù)種種誤區，以至于影響到整個(gè)系統的性能。本文在回顧RS-485標準的基礎上，重點(diǎn)討論幾個(gè)實(shí)際應用中常被忽視的問(wèn)題。

RS-485標準回顧

RS-485標準最初由電子工業(yè)協(xié)會(huì )（EIA）于1983年制訂并發(fā)布，后由TIA-通訊工業(yè)協(xié)會(huì )修訂后命名為T(mén)IA/EIA-485-A，不過(guò)工程師還是習慣地稱(chēng)之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來(lái)，后者是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(cháng)到4000英尺（速率低于100kbps時(shí)），并允許在一條平衡線(xiàn)上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，為擴展應用范圍，隨后又為其增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線(xiàn)上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅動(dòng)能力和沖突保護特性，擴展了總線(xiàn)共模范圍，這就是后來(lái)的EIA RS-485標準。

RS-485是一個(gè)電氣接口規范，它只規定了平衡驅動(dòng)器和接收器的電特性，而沒(méi)有規定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標準定義了一個(gè)基于單對平衡線(xiàn)的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟、并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS-485接口的主要特點(diǎn)如下：

平衡偉輸；

多點(diǎn)通信；

驅動(dòng)器輸出電壓（帶載）：≥｜1.5V｜；

接收器輸入門(mén)限：±200mV；

-7V至+12V總線(xiàn)共模范圍；

最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；

最大總線(xiàn)負載：32個(gè)單位負載（UL）；

最大傳輸速率：10Mbps；

最大電纜長(cháng)度：4000英尺。

網(wǎng)絡(luò )配置

圖1:幾種錯誤的網(wǎng)絡(luò )連接方式及正確的方式

RS-485支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡(luò )拓撲一般采用終端匹配的總線(xiàn)型結構，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò )。最好采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)串接起來(lái)，從總線(xiàn)到每個(gè)節點(diǎn)的引出線(xiàn)長(cháng)度應盡量短，以便使引出線(xiàn)中的反射信號對總線(xiàn)信號的影響最低。圖1所示為實(shí)際應用中常見(jiàn)的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e三種不恰當的網(wǎng)絡(luò )連接盡管在某些情況下（短距離、低速率）仍然可以正常工作，但隨著(zhù)通信距離的延長(cháng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì )越來(lái)越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，造成信號質(zhì)量下降。除此之外還應注意總線(xiàn)特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點(diǎn)也會(huì )發(fā)生信號的反射。例如，總線(xiàn)的不同區段采用不同電纜、某一段總線(xiàn)上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝、或者是有過(guò)長(cháng)分支線(xiàn)引出總線(xiàn)時(shí)都會(huì )出現阻抗不連續點(diǎn)?？傊?，應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線(xiàn)。

有關(guān)總線(xiàn)上允許連接的收發(fā)器數標準并沒(méi)有做出規定，但規定了最大總線(xiàn)負載為32個(gè)單位負載（UL）。每單位負載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當于約12kΩ。為了擴展總線(xiàn)節點(diǎn)數，器件生產(chǎn)廠(chǎng)商增大收發(fā)器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節點(diǎn)數就可增加至128個(gè)，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節點(diǎn)數可到256個(gè)。

總線(xiàn)匹配

是否對RS-485總線(xiàn)進(jìn)行終端匹配取決于數據傳輸速率、電纜長(cháng)度及信號轉換速率。UART是在每個(gè)數據位的中點(diǎn)采樣數據的，只要反射信號在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗性的準則可以用來(lái)判斷在什么樣的數據速率和電纜長(cháng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當信號的轉換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過(guò)電信號沿總線(xiàn)單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線(xiàn)上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數據速率在250kbps以?xún)?、電纜長(cháng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

圖2：幾種終端匹配方案

當考慮終端匹配時(shí)，有多種匹配方案可以選擇。最簡(jiǎn)單的就是在總線(xiàn)兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻（圖2a）。大多數雙絞線(xiàn)特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配（圖2b）。利用一只電容C隔斷直流成分可以節省大部分功率。但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。除上述兩種外，還有一種采用二極管的匹配方案（圖2c）。這種方案雖未實(shí)現真正的匹配，但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號，達到改善信號質(zhì)量的目的。節能效果顯著(zhù)。