詳解RS-485上下拉電阻的選擇

　　RS-485總線(xiàn)廣泛應用于通信、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，在實(shí)際應中，通常會(huì )遇到是否需要加上下拉電阻以及加多大的電阻合適的問(wèn)題，下面我們將對這些問(wèn)題進(jìn)行詳細的分析。

　　為什么需要加上下拉電阻?

　　根據RS-485標準，當485總線(xiàn)差分電壓大于+200mV時(shí)，485收發(fā)器輸出高電平;當485總線(xiàn)差分電壓小于-200mV時(shí)，485收發(fā)器輸出低電平;當485總線(xiàn)上的電壓在-200mV～+200mV時(shí)，485收發(fā)器可能輸出高電平也可能輸出低電平，但一般總處于一種電平狀態(tài)，若485收發(fā)器的輸出低電平，這對于UART通信來(lái)說(shuō)是一個(gè)起始位，此時(shí)通信會(huì )不正常。

　　當485總線(xiàn)處于開(kāi)路(485收發(fā)器與總線(xiàn)斷開(kāi))或者空閑狀態(tài)(485收發(fā)器全部處于接收狀態(tài)，總線(xiàn)沒(méi)有收發(fā)器進(jìn)行驅動(dòng))時(shí)，485總線(xiàn)的差分電壓基本為0，此時(shí)總線(xiàn)就處于一個(gè)不確定的狀態(tài)。同時(shí)由于目前485芯片為了提高總線(xiàn)上的節點(diǎn)數，輸入阻抗設計的比較高，例如輸入阻抗為1/4單位阻抗或者1/8單位阻抗(單位阻抗為12kΩ，1/4單位阻抗為48kΩ)，在管腳懸空時(shí)容易受到電磁干擾。

　　因此為了防止485總線(xiàn)出現上述情況，通常在485總線(xiàn)上增加上下拉電阻(通常A接上拉電阻，B總線(xiàn)下拉電阻)。若使用隔離RS-485收發(fā)模塊(例如RSM485PCHT)，由于模塊內部具有上下拉電阻(對于RSM485PCHT，內部上下拉電阻為24kΩ),因此在模塊外部一般不需要增加上下拉電阻。

　　1、什么情況下需要加上下拉電阻?

　　當遇到信號反射問(wèn)題時(shí)，通常會(huì )通過(guò)增加匹配電阻來(lái)避免信號反射，以1對1通信為例，如圖 1所示。由于485總線(xiàn)通常使用特性阻抗為120Ω的雙絞線(xiàn)，因此在485總線(xiàn)的首尾兩端增加120Ω終端電阻來(lái)避免信號反射問(wèn)題。

　　圖 1 兩個(gè)RSM485PCHT模塊通信電路

　　根據RSM485PCHT的具體參數(如表 1)可以得到如圖 2所示等效電路，其中RPU、RPD為模塊內部在485總線(xiàn)上加的上下拉電阻，RIN為模塊的輸入阻抗。

　　表 1 RSM485PCHT參數

　　圖 2 RSM485PCHT通信等效示意圖

　　當兩個(gè)模塊都處于接收狀態(tài)時(shí)，可以根據基爾霍夫電流定律對節點(diǎn)A和節點(diǎn)B列出下列公式

　　根據上述公式可以計算AB之間的差分電壓為

　　此時(shí)模塊已處于不確定狀態(tài)，模塊接收器可能輸出為高電平，也可能輸出為低電平，這時(shí)就需要在模塊外部增加上下拉電阻保證模塊在空閑時(shí)不處于不確定狀態(tài)。

　　2、上下拉電阻如何取?

　　假設模塊的輸出電源電壓V­O相同，由于RGND接在一起，因此可以認為模塊內部的上拉電阻是并聯(lián)在一起的，為了方便解釋?zhuān)瑢D 2的電路進(jìn)行整理，如圖 3所示，在模塊外部增加上下拉電阻可以選擇只增加一組，也可以選擇在每個(gè)模塊都增加上下拉電阻，為了解釋方便，我們在485總線(xiàn)上增加一組上下拉電阻。

　　圖 3 RSM485PCHT通信等效電路圖

　　其中：RPU為模塊內部上拉電阻，RPD為模塊內部的下拉電阻，本例中為24kΩ;

　　RIN為模塊接收器輸入阻抗，本例取最小值為120kΩ;

　　RT為終端電阻，本例取120Ω;

　　RPU_EX為模塊外部所加的上拉電阻，RPD_EX為模塊外部所加的下拉電阻;

　　由于RSM485PCHT的門(mén)限電平為-200mV～+200mV，一般留有100mV或200mV的電壓裕量，本例留有100mV的電壓裕量，根據前面所推導的差分電壓公式，可以得到下面計算公式

　　由于RSM485PCHT在供電電壓范圍為4.75V～5.25V，取VO=4.75V(最低輸入電壓VCC=4.75V情況下)，可得：

　　由RPU=24kΩ，可得RPU_EX=RPD_EX=461.9Ω，由于計算出的電阻值為最大值，因此可以選擇在485總線(xiàn)上僅加一組410Ω或390Ω的上下拉電阻，或者加兩組910Ω上下拉電阻。

　　3、如何驗證上下拉電阻取值?

　　上述計算僅考慮了485總線(xiàn)空閑狀態(tài)時(shí)不處于不確定狀態(tài)，并沒(méi)有考慮485收發(fā)器的驅動(dòng)能力和所用元器件的功耗等問(wèn)題。外部所加上下拉電阻越小，可以將485總線(xiàn)空閑狀態(tài)差分電壓保持的越高，但與此同時(shí)，終端電阻和上下拉電阻的功耗也越大，對485收發(fā)器的驅動(dòng)能力要求也越高，當超過(guò)485收發(fā)器的驅動(dòng)能力時(shí)，也會(huì )導致通信失敗。

　　根據RS-485標準，當接收器的輸入阻抗為單位阻抗時(shí)(最小為12k),總線(xiàn)上最多可以接32個(gè)節點(diǎn)，485的差分負載最大為54Ω，此時(shí)差分輸出電壓最小為1.5V。

　　圖 4 485總線(xiàn)連接32個(gè)節點(diǎn)等效示意圖

　　如圖 4所示，我們可以看到當485總線(xiàn)上接有32個(gè)節點(diǎn)時(shí)，總線(xiàn)A或B的共模負載為：

　　由此可見(jiàn)，對于RS-485的標準來(lái)說(shuō)，A總線(xiàn)或B總線(xiàn)的最大共模負載為375Ω。

　　圖 5 485總線(xiàn)增加終端電阻等效示意圖

　　當增加終端電阻后，可以發(fā)現485總線(xiàn)的共模負載沒(méi)有發(fā)生變化，但差模負載急劇減小，差模負載為

　　因此當485總線(xiàn)的節點(diǎn)數達到最多以及增加終端電阻后，485總線(xiàn)的差模負載仍大于54Ω，根據RS-485的標準，差分輸出電壓最小為1.5V。

　　圖 6 RSM485PCHT 64個(gè)節點(diǎn)等效示意圖

　　以RSM485PCHT為例說(shuō)明增加上下拉電阻的情況，如圖 6所示，總線(xiàn)A或B的共模負載為：

　　實(shí)際測試上述情況，驅動(dòng)輸出的最小差分電壓3.02V，這個(gè)電壓遠大于RS-485標準規定的最小差分輸出電壓1.5V。

　　圖 7 RSM485PCHT 64個(gè)節點(diǎn)增加終端電阻示意圖

　　當在485總線(xiàn)上增加終端電阻時(shí)，可以看出總線(xiàn)A或B的共模負載并沒(méi)有發(fā)生變化，而差分阻抗有了較大的變化，此時(shí)差模負載為：

　　計算出的差模負載要略大于RS-485標準規定的最大負載為54Ω，我們對RSM485PCHT進(jìn)行實(shí)際測試，其輸出差分電壓1.58V，略大于標準規定的最小電壓。

　　當差模負載為54Ω(485總線(xiàn)接兩個(gè)120Ω終端電阻并且上拉電阻(下拉電阻)與收發(fā)器內阻的并聯(lián)值為270Ω)時(shí)，RSM485PCHT的差分輸出電壓為1.52V(實(shí)測值)，基本和RS-485標準相同。當差模負載為41.54Ω(485總線(xiàn)接兩個(gè)120Ω終端電阻并且上拉電阻(下拉電阻)與收發(fā)器內阻的并聯(lián)值為135Ω)時(shí)，RSM485PCHT的差分輸出電壓在1.17V左右(實(shí)測值)，在這種情況下可以通信。但485收發(fā)芯片手冊中規定的最大差模負載通常為54Ω，即在485總線(xiàn)上增加兩個(gè)120Ω后，上拉電阻(下拉電阻)與收發(fā)器輸入阻抗的并聯(lián)值應大于270Ω。同時(shí)為了保證穩定可靠通信，一般485總線(xiàn)的上拉電阻(下拉電阻)與收發(fā)器輸入阻抗的并聯(lián)值應大于375Ω。

　　4、總結

　　1)通信線(xiàn)應選用屏蔽雙絞線(xiàn)，屏蔽層應單點(diǎn)接大地;

　　2)當我們沒(méi)有遇到信號反射問(wèn)題時(shí)，盡量不要使用終端電阻;

　　3)如果使用終端電阻，我們可以通過(guò)上下拉電阻調節485總線(xiàn)在空閑狀態(tài)的電壓值，保證不處于門(mén)限電平(-200mV～+200mV或-200mV～-40mV)范圍內;

　　4)當我們增加上下拉電阻時(shí)，上拉電阻(下拉電阻)與收發(fā)器輸入阻抗的并聯(lián)值應大于375Ω。