RS-485之信號反射與終端電阻

　　RS-485總線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但各位工程師在組建RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，為提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信的可靠性，想必會(huì )經(jīng)常會(huì )遇到一個(gè)問(wèn)題：需不需要加終端電阻呢?本文將為你解答。

　　1、終端電阻的作用

　　對于RS-485總線(xiàn)，終端電阻主要是為了匹配通信線(xiàn)的特性阻抗，防止信號反射，提高信號質(zhì)量。

　　在組建RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，通常使用特性阻抗為120Ω的屏蔽雙絞線(xiàn)，由于RS-485收發(fā)器輸入阻抗一般較高(例如RSM485ECHT輸入阻抗為96kΩ，最多可連接256個(gè)節點(diǎn))，在信號傳輸到總線(xiàn)末端時(shí)會(huì )由于受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生突變(以RSM485ECHT為例，阻抗由120Ω變?yōu)?6kΩ)，導致信號發(fā)生反射，影響信號的質(zhì)量。RSM485ECHT在1200m，500kbps通信速率的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 1和圖 2所示，終端電阻明顯改善了信號的質(zhì)量。

　　圖1 RSM485ECHT 1200m 500kbps不加終端電阻

　　圖2 RSM485ECHT 1200m 500kbps 加終端電阻

　　2、終端電阻帶來(lái)的問(wèn)題

　　終端電阻雖然可以提高信號質(zhì)量，但還具有以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　1)降低了驅動(dòng)信號的幅值

　　RS-485總線(xiàn)上的負載越大，RS-485收發(fā)器輸出差分電壓幅值越低，RSM485ECHT在5m，500kbps的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 3和圖 4所示，可以看出驅動(dòng)信號在增加終端電阻后降低了2V左右。

　　圖3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加終端

　　圖4 RSM485ECHT 5m 500kbps 加終端

　　2)增大了通信線(xiàn)上的壓降

　　增加終端電阻使通信線(xiàn)纜上的電流增大，產(chǎn)生了較大的壓差，降低了接收端的信號幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信號波形如圖 5和圖 6所示(0.75mm2通信線(xiàn))，末端信號與首端信號相比下降了0.7V左右。

　　圖5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 首端波形

　　圖6 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 末端波形

　　3)增大了收發(fā)器的功耗

　　增加終端電阻對于接收狀態(tài)時(shí)的工作電流影響不大，但會(huì )大大增加驅動(dòng)狀態(tài)時(shí)的工作電流。以RSM485ECHT為例，RSM485ECHT處于接收狀態(tài)時(shí)工作電流為20mA左右，在驅動(dòng)狀態(tài)不加終端電阻時(shí)工作電流為27mA左右，在驅動(dòng)狀態(tài)加終端電阻時(shí)工作電流為83mA左右，可以看出終端電阻大大增加了RS-485收發(fā)器的功耗，對于有功耗要求的應用場(chǎng)合，應謹慎使用終端電阻。

　　4)降低總線(xiàn)空閑時(shí)的差分電壓

　　如圖 7所示為兩個(gè)RSM485ECHT通信示意圖。

　　圖7 RSM485ECHT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：

　　其中：RPUD為RSM485ECHT內置上下拉電阻，120kΩ;R­IN為RSM485ECHT輸入阻抗，96kΩ;根據上述公式可以計算AB之間的差分電壓為：

　　由于RSM485ECHT的門(mén)限電平為-200mV～-40mV,所以在上述情況下，模塊仍然輸出高電平，保證總線(xiàn)空閑時(shí)不會(huì )誤接收數據。但對于門(mén)限電平為-200mV～+200mV的RS-485收發(fā)器，輸出電平為不確定狀態(tài)，此時(shí)有可能誤接收數據。

　　3、如何解決增加終端電阻后空閑狀態(tài)的問(wèn)題?

　　對于空閑狀態(tài)的問(wèn)題有兩個(gè)解決方法：

　　1)使用類(lèi)似RSM485ECHT的模塊(門(mén)限電平為-200mV～-40mV)，當RS-485總線(xiàn)的差分電壓大于-40mV時(shí)RS-485收發(fā)器的輸出即為高電平。

　　2)使用RSM485PCHT或RSM485PHT等帶有輸出隔離電源的模塊，可以通過(guò)在外部增加較小的上下拉電阻將RS-485總線(xiàn)的空閑狀態(tài)時(shí)的電壓拉到+200mV以上(一般要留有100mV或200mV以上的裕量)，保證空閑時(shí)RS-485總線(xiàn)差分電壓不處于門(mén)限電平范圍內，但上下拉電阻值不能太小，一般總線(xiàn)上拉(或下拉)并聯(lián)值要大于375Ω。

　　4、什么時(shí)候需要加終端電阻?

　　1)通信速度低或者通信距離近的情況下建議不加終端電阻

　　通信速度低或者通信距離近的情況下，信號反射對通信信號的影響不大，而且不加終端電阻可以大大降低功耗，并且通過(guò)加較大上下拉電阻值即可保證RS-485總線(xiàn)空閑時(shí)具有較高的差分電壓幅值，提高了通信的可靠性。

　　2)通信距離較長(cháng)且通信速度較快，對信號質(zhì)量要求較高的情況

　　此時(shí)可以增加終端電阻，防止阻抗突變引起的信號反射問(wèn)題，提高信號質(zhì)量，但應確保在總線(xiàn)空閑時(shí)總線(xiàn)的差分電壓不處于門(mén)限電平范圍內。

　　3)對功耗有要求且通信距離較長(cháng)的情況

　　反射信號在總線(xiàn)上來(lái)回反彈，反射信號會(huì )逐漸消耗掉。對于串口通信，MCU一般在一個(gè)位的中間時(shí)間對信號進(jìn)行采樣，由于低通信速度的情況下，每一個(gè)位的時(shí)間較長(cháng)，所以在到達采樣點(diǎn)時(shí)反射信號已被消耗掉，對通信已無(wú)影響。RSM485ECHT在1200m 9600bps不加終端電阻首端和末端的波形如圖8和圖9所示，可以看出反射信號在到達每一個(gè)位中間前就已經(jīng)被消耗掉了。

　　所以對RS-485的收發(fā)器的功耗有較高要求且通信距離較長(cháng)的應用，應適當降低通信的速度。

　　圖8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 首端波形

　　圖9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 末端波形