工業(yè)接口RS-485的設計應用指南

作為上世紀80年代早期批準的一個(gè)平衡傳輸標準，RS-485似乎已成為工業(yè)界永不過(guò)時(shí)的接口標準。關(guān)于它的文獻有很多，但對于很少接觸接口設計的系統工程師而言，如此海量的文獻就有些讓人吃不消了。

本文旨在討論RS-485標準的主要內容，為初接觸它的設計師提供入門(mén)指南。研究文末參考的一些附加應用筆記可進(jìn)一步幫助設計師在最短的時(shí)間內完成一套可靠的數傳設計。

RS-485標準的用途

RS-485只定義了用于平衡多點(diǎn)傳輸線(xiàn)的驅動(dòng)器和接收器的電特性，因此很多更高層標準都將其作為物理層引用。

網(wǎng)絡(luò )拓撲

總線(xiàn)節點(diǎn)以菊花鏈或總線(xiàn)拓撲方式聯(lián)網(wǎng)。(見(jiàn)圖1)也就是說(shuō)，每個(gè)節點(diǎn)都通過(guò)很短的線(xiàn)頭連接到主線(xiàn)纜。該接口總線(xiàn)通常設計為用于半雙工傳輸，也就是說(shuō)它只用一對信號線(xiàn)，驅動(dòng)數據和接收數據只能在不同時(shí)刻出現在信號線(xiàn)上。

圖1：RS-485總線(xiàn)結構(左)與半雙工總線(xiàn)結構(右)。

這就需要通過(guò)方向控制信號(例如驅動(dòng)器/接收器使能信號)控制節點(diǎn)操作的協(xié)議，以確保任何時(shí)刻總線(xiàn)上都只能有一個(gè)驅動(dòng)器在活動(dòng)，而必須避免多個(gè)驅動(dòng)器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)導致總線(xiàn)競爭。

信號電平

RS-485驅動(dòng)器必需在54的負載上提供最小1.5V的差分輸出，而RS-485接收器則必需能檢測到最小為200mv的差分輸入(見(jiàn)圖2)。這兩個(gè)值為可靠數據傳輸提供了足夠的裕度，即便信號經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜和連接器發(fā)生嚴重衰減時(shí)亦如此。而穩健性正是RS-485適用于噪聲環(huán)境的長(cháng)距離聯(lián)網(wǎng)的主要原因。

圖2：RS-485規定的最小總線(xiàn)信號電平。

線(xiàn)纜類(lèi)型

在雙絞線(xiàn)上傳送差分信號為RS-485應用帶來(lái)了很大好處。這是因為外部噪聲源產(chǎn)生的噪聲總是等量耦合進(jìn)兩根信號線(xiàn)中，屬于共模噪聲，而這能在差分接收器的輸入處就被抑制掉。

工業(yè)用RS-485線(xiàn)纜是特性阻抗為120和22AWG的塑封非屏蔽雙絞線(xiàn)。圖3所示為一對用于半雙工網(wǎng)絡(luò )的UTP線(xiàn)纜的橫截面。

圖3：RS-485通信線(xiàn)纜示例。

為了保持網(wǎng)絡(luò )的電特性，除了網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜的連接之外，印制電路板的布線(xiàn)和RS-485設備連接器上的管腳分配需保持兩根信號線(xiàn)之間的距離均等且足夠靠近。

總線(xiàn)端接與線(xiàn)頭長(cháng)度

數據傳輸線(xiàn)應進(jìn)行端接，而且線(xiàn)頭應盡可能短，以避免傳輸線(xiàn)上發(fā)生信號反射。良好的端接要求終端電阻R_T與傳輸線(xiàn)線(xiàn)纜的特征阻抗Z0匹配。RS-485建議采用Z0為120的線(xiàn)纜，因此通常每根線(xiàn)纜末端都采用120的電阻進(jìn)行端接。

圖4：利用共模噪聲濾波器對RS-485進(jìn)行端接。

噪聲環(huán)境下的應用往往用兩個(gè)RC低通濾波器替代這些120的電阻，以增強對共模噪聲的濾波(見(jiàn)圖4)。值得注意的是，兩個(gè)濾波器的電阻值應相等(最好采用精密電阻)以確保兩個(gè)濾波器具有相同的滾降頻率。電阻容差過(guò)大會(huì )導致濾波器轉角頻率出現偏差，而導致共模噪聲轉換為差模噪聲，使接收器的抗噪性能降低。

線(xiàn)頭的電長(cháng)度(即收發(fā)器與線(xiàn)纜干線(xiàn)之間的距離)應小于驅動(dòng)器輸入信號上升時(shí)間的1/10。表1列出了圖4中不同驅動(dòng)信號上升時(shí)間對應的最大線(xiàn)纜線(xiàn)頭長(cháng)度。

表1：不同信號上升時(shí)間下的線(xiàn)頭長(cháng)度和未端接線(xiàn)纜長(cháng)度。

故障保險

故障保險(failsafe)是指接收器可以在無(wú)輸入信號時(shí)保證一個(gè)確定的輸出狀態(tài)?？赡軐е滦盘杹G失的原因有三種：1)電路開(kāi)路：由電線(xiàn)斷線(xiàn)或收發(fā)器從總線(xiàn)上斷開(kāi)導致；2)電路短路：絕緣失效導致傳輸差分對信號的兩根線(xiàn)互相短路；3)總線(xiàn)空閑：總線(xiàn)上沒(méi)有驅動(dòng)器工作。

由于以上幾種條件可能導致傳統的接收器在輸入信號為零時(shí)輸出隨機的狀態(tài)，因此現代收發(fā)器設計中均為開(kāi)路、短路和總線(xiàn)空閑狀態(tài)下的故障保險設計了專(zhuān)門(mén)的偏置電路。當輸入信號為零時(shí)，該電路會(huì )使接收器的輸出保持在一個(gè)確定的狀態(tài)。

盡管這些帶故障保險的收發(fā)器宣稱(chēng)能減少元器件個(gè)數，但它們10mV的最壞情況噪聲裕度使外部故障保險電路的設計成為必要。

外部故障保險電路包含一個(gè)電阻分壓器，用以產(chǎn)生足夠的差分總線(xiàn)電壓，將接收器的輸出驅動(dòng)至一個(gè)確定的狀態(tài)。為確保電路具備足夠的噪聲裕度，V_AB在200mV接收器輸入閾值之外還必需能涵蓋最大差分噪聲。按下式計算故障保險偏置電阻R_B在最壞情況條件下(即最低電壓，最大噪聲條件下)的阻值：

其中V_AB=200mV + V_Noise。在最小總線(xiàn)電壓為4.75V，V_AB=0.25V并且Z_o=120時(shí)，R_B的計算結果為528。在R_T上串聯(lián)兩個(gè)523的電阻(見(jiàn)圖5左)，就在總線(xiàn)一端建立起一個(gè)故障保險電路。

圖5：總線(xiàn)空閑的外部故障保險偏置。

由于驅動(dòng)器依靠電流輸出，因此必需為輸出電流提供一個(gè)負載。為總線(xiàn)增加收發(fā)器和故障保險電路同時(shí)也增大了所需的總負載電流。為了估計總線(xiàn)允許的最大負載個(gè)數，RS-485定義了一個(gè)假想的單位負載(UL)，一個(gè)UL代表的負載阻抗約為12k。符合標準的驅動(dòng)器必需能驅動(dòng)32個(gè)這樣的單位負載。如今的收發(fā)器往往采用的是減小了的單位負載，例如1/8UL，因此總線(xiàn)上允許連接的收發(fā)器個(gè)數多達256個(gè)。

由于故障保險偏置電路就占據了總線(xiàn)負載中多達20UL，因此總線(xiàn)上允許的最大接收機個(gè)數就減少了。因此，當采用1/8的收發(fā)器時(shí)，總線(xiàn)上最多能連接96個(gè)設備。即。

數據率與總線(xiàn)長(cháng)度的關(guān)系

最大總線(xiàn)長(cháng)度受傳輸線(xiàn)損耗與某個(gè)數據率下的信號抖動(dòng)限制。在抖動(dòng)達到波特周期的10%或以上時(shí)，數據可靠性會(huì )急劇下降。圖6給出了傳統RS-485驅動(dòng)器在10%信號抖動(dòng)下，不同數據率特性對應的線(xiàn)纜長(cháng)度。

圖6：不同數據率下的線(xiàn)纜長(cháng)度。

在圖6中，第一部分代表了線(xiàn)長(cháng)受主要非抗性(即阻性)線(xiàn)纜損耗限制的數據率范圍。第2部分中，線(xiàn)纜的電抗性損耗隨頻率增加，因此頻率增加后允許的線(xiàn)纜長(cháng)度就減小了。經(jīng)驗準則告訴我們線(xiàn)長(cháng)(單位為英寸)乘以數據率(單位為bps)應小于3107。當線(xiàn)長(cháng)較短時(shí)，線(xiàn)纜損耗可以忽略，這時(shí)，限制最大可能數據率的只有驅動(dòng)信號的上升時(shí)間(第3部分)。

最小節點(diǎn)間距

以增多器件與器件間互連的方式增大總線(xiàn)容抗會(huì )降低總線(xiàn)阻抗，并導致總線(xiàn)的傳輸媒介與負載部分的阻抗失配。輸入信號到達這些失配點(diǎn)時(shí)會(huì )有一部分被反射回信號來(lái)源處，從而使驅動(dòng)器輸出信號失真。

要確?？偩€(xiàn)上任何一處輸出驅動(dòng)器送出的信號在第一次信號轉換過(guò)程中，到達接收器時(shí)均達到有效輸入電平，就要求總線(xiàn)節點(diǎn)之間只相隔最小間距，約可按下式計算：

其中C_L為集總負載電容，C為傳輸媒介(線(xiàn)纜或PCB走線(xiàn))單位長(cháng)度的電容。上式給出的是最小器件間距與分布媒介和集總負載電阻的函數關(guān)系，圖7將這種關(guān)系圖形化了。

圖7：最小節點(diǎn)間距與器件和傳輸媒介容抗的關(guān)系。

負載電容包括線(xiàn)路總線(xiàn)管腳的電容、連接器的接觸電容、印制電路板的走線(xiàn)電容、保護器件的電容，當總線(xiàn)至收發(fā)器(收發(fā)器的線(xiàn)頭)之間的電距離較短時(shí)還包括任何其他與干線(xiàn)相連的物理連接帶來(lái)的電容。

接地與隔離

遠程數據連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過(guò)大，就可能超過(guò)接收器的輸入共模噪聲容限，從而對器件造成損壞。因此，不建議依靠本地接地作為電流回流的可靠路徑(見(jiàn)圖8a)。也不建議直接用地線(xiàn)連接遠程地，(見(jiàn)圖8b)因為這可能會(huì )引發(fā)很大的地回路電流，耦合到數據線(xiàn)之中成為共模噪聲。像RS-485建議的那樣通過(guò)在接地通路上插入電阻來(lái)減小回路電流也只解決了一半問(wèn)題。一個(gè)大接地回路的存在就使數據鏈路對回路中其他地方產(chǎn)生的噪聲非常敏感。因此，通過(guò)這種方式仍無(wú)法建立一個(gè)可靠的數據鏈路(見(jiàn)圖8c)。

圖8：需要注意的設計缺陷：a) GPD過(guò)高； b) 回路電流過(guò)大； c)減小回路電流，但過(guò)大的接地環(huán)路仍會(huì )導致電路對感應噪聲高度敏感。

建立可靠的長(cháng)距離數據鏈路的最可靠的方法是通過(guò)絕緣隔離。采用該方法時(shí)，總線(xiàn)收發(fā)器的信號線(xiàn)和電源線(xiàn)與本地信號與電源是相互隔離的。

電源隔離器，例如隔離型DC/DC變換器、和數字容性隔離器等信號隔離器均能阻止電流在遠程系統的接地之間流通，從而避免創(chuàng )造這樣的電流回路。

圖9給出的是多個(gè)隔離型收發(fā)器的詳細連接。所有收發(fā)器中除了一個(gè)以外其他均通過(guò)隔離連接到總線(xiàn)，圖中唯一一個(gè)未隔離的收發(fā)器為整個(gè)總線(xiàn)提供單一地參考。

圖9：多個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)收發(fā)器位置與單一地參考的隔離。

本文小結

雖不能說(shuō)是非常完整，但本文的目標是涵蓋RS-485系統設計的所有主要問(wèn)題。盡管關(guān)于這一主題有大量的技術(shù)文獻，但本文旨在為新接觸RS-485的系統設計師們提供一個(gè)詳盡的設計指南。