關(guān)于RS-485總線(xiàn)的理論與運用

1、概述

隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展和計算機日益廣泛的應用，現在一個(gè)系統往往由多臺計算機組成，需要解決多站、遠距離通信的問(wèn)題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。使用RS-485總線(xiàn)，一對雙絞線(xiàn)就能實(shí)現多站聯(lián)網(wǎng)，構成分布式系統，設備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(cháng)距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應用。

2、RS-485總線(xiàn)的理論

在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著(zhù)分布式控制系統的發(fā)展，迫切需要一種總線(xiàn)能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點(diǎn)、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線(xiàn)標準。
RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)。

規格要求：
接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
驅動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓
輸入端的電容≤50pF
在節點(diǎn)數為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線(xiàn)的參數有關(guān)）
接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號"0"；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號"1"）
因為RS-485的遠距離、多節點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線(xiàn)成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準?；诖?，RS-485的自動(dòng)化領(lǐng)域的應用非常廣泛，但是在實(shí)際工程中RS-485總線(xiàn)運用仍然存在著(zhù)很多問(wèn)題，影響了工程的質(zhì)量，為工程施工帶來(lái)了很多的不方便。

1、 阻抗不連續
信號在傳輸過(guò)程中如果遇到阻抗突變，信號在這個(gè)地方就會(huì )引起反射，這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就是盡量保持傳輸線(xiàn)阻抗連續，實(shí)際工程中在電纜線(xiàn)的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻的原理就是為了減小信號反射。
從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就能有效的減少信號反射。但是，在實(shí)現應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會(huì )存在。信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個(gè)數據幀錯誤。這種情況是無(wú)法改變的，只有盡量去避免。

2、RS-485接地問(wèn)題
僅僅用一對雙絞線(xiàn)將各個(gè)接口的A、B端連接起來(lái)，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號并不需要對于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測信號系統，只需檢測兩線(xiàn)之間的電位差就可以了。但應該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。當共模電壓超出此范圍，就會(huì )影響通信的可靠直至損壞接口。如圖1所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數據時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統具有各自獨立的接地系統存在著(zhù)地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會(huì )達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì )有很大幅度(十幾伏甚至數十伏)，并可能伴有強干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線(xiàn)上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設備。

3、RS-485的總線(xiàn)結構及傳輸距離
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。在使用RS485接口時(shí)，對于特定的傳輸線(xiàn)經(jīng)，從發(fā)生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長(cháng)度是數據信號速率的函數，這個(gè)長(cháng)度數據主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號損失為6dBV時(shí)，則電纜長(cháng)度被限制在1200M。實(shí)際上，在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長(cháng)度。當使用不同線(xiàn)徑的電纜。則取得的最大電纜長(cháng)度是不相同的。

3方案設計

以下以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明RS-485的應用：
一個(gè)大學(xué)食堂有三層，有12臺POS機，每層樓有4臺POS機，他們是RS-485的接口，控制POS機的電腦接RS-232接口,傳統的解決方案是：

采用這種老式布線(xiàn)結構存在以下幾種缺陷。
RS-485總線(xiàn)受差分信號傳輸特點(diǎn)的限制總線(xiàn)長(cháng)度一般在1200米左右，采用這種老式布線(xiàn)結構，可布線(xiàn)覆蓋面積十分有限（一般為幾百平方米）。有時(shí)為了拓寬傳輸距離不得不采用中繼器。同時(shí)亦加大了布線(xiàn)過(guò)程中出現問(wèn)題的可能性。