RS485通信接口設(shè)計技巧

電子設(shè)計聯(lián)盟

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( P, ^0 M; N3 z" c! Z# x0 m( v1983年，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）批準(zhǔn)了一項新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，稱為RS-485。作為一種強(qiáng)大而靈活的標(biāo)準(zhǔn)，RS-485迅速獲得了廣泛的認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和消費類產(chǎn)品領(lǐng)域，成為工業(yè)接口的主流規(guī)范。
RS-485的優(yōu)勢在于其適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力高，且能夠在長距離、多節(jié)點的環(huán)境中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
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標(biāo)準(zhǔn)和特性
RS-485 是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了平衡多點傳輸線上的驅(qū)動器和接收器的電氣特性。與涵蓋功能、機(jī)械和電氣規(guī)格的完整接口標(biāo)準(zhǔn)不同，RS-485 僅專注于電氣方面的定義。這種特性使其在多種應(yīng)用中具有高度的適應(yīng)性和靈活性。
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RS-485 標(biāo)準(zhǔn)因其電氣特性被廣泛應(yīng)用于多個更高級別的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。例如，在中國，電能表通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) DL/T645 明確將 RS-485 作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。這表明 RS-485 在確保關(guān)鍵應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面具有重要作用，如能源管理和計量系統(tǒng)。
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RS-485 的主要特性：
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平衡接口：RS-485 使用平衡的差分信號傳輸方式，這種方式能夠有效抵御噪聲和干擾。在工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾（EMI）可能會嚴(yán)重影響通信的可靠性，因此平衡接口提供了必要的抗干擾能力。

支持多點配置：RS-485 允許在同一總線上連接多個設(shè)備。一個總線最多可以支持 32 個單位負(fù)載（每個設(shè)備的負(fù)載被稱為一個單位負(fù)載），使其在需要多節(jié)點通信的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。

單一電源供電：RS-485 系統(tǒng)可以使用單一的 5V 電源，這簡化了電源管理并降低了系統(tǒng)成本。

廣泛的共模電壓范圍：RS-485 支持 –7V 至 +12V 的總線共模電壓范圍。
這種寬廣的電壓范圍使得 RS-485 能在各種電氣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

數(shù)據(jù)速率和電纜長度：RS-485 的最大數(shù)據(jù)速率為 10Mbps（當(dāng)電纜長度為 40 英尺時），而在較低速率下，最大電纜長度可以達(dá)到 4000 英尺（在速率為 100kbps 時）。這使得 RS-485 適用于需要長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。
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網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
4 l+ V5 r8 V& E% o4 YRS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用菊花鏈（Daisy Chain）來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
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- f& r9 t3 I: q8 l菊花鏈拓?fù)?/strong>（Daisy Chain）是 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中常見的連接方式。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點（驅(qū)動器、接收器和收發(fā)器）通過短網(wǎng)存根（Stub）連接到一條主干線。主干線在拓?fù)渲衅鸬匠休d信號的作用，而存根則連接每個具體的設(shè)備。

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主干線：作為信號傳輸?shù)闹饕�通道，所有的設(shè)備都通過短網(wǎng)存根連接到主干線。

網(wǎng)存根：每個設(shè)備通過網(wǎng)存根與主干線連接。為了保持信號的完整性，存根的長度應(yīng)盡可能短。
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7 ~& h# s! t3 z- H1 d, _這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于它的簡單性和成本效益，適用于大多數(shù)低到中等規(guī)模的應(yīng)用。


RS-485 支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：全雙工（Full-Duplex）和半雙工（Half-Duplex）。
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- Y1 ]4 p. n' s" [+ F, x全雙工模式：

信號對：需要兩個信號對（共四根電線）來實現(xiàn)全雙工通信，即一個信號對用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個信號對用于接收數(shù)據(jù)。

全雙工收發(fā)器：每個全雙工收發(fā)器具有獨立的發(fā)送和接收線路，允許節(jié)點同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提高通信效率。



" Z& \4 J9 @( c$ f6 L半雙工模式：
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信號對：僅使用一對信號線（共兩根電線）。在半雙工模式下，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的，即一個信號對在某個時刻用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一時刻用于接收數(shù)據(jù)。

方向控制：半雙工系統(tǒng)需要使用方向控制信號來切換數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收狀態(tài)。這通常由驅(qū)動器/接收器使能信號控制，確保在任何時刻只有一個設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，以避免信號沖突。

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在 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備共享同一條總線，因此在任何時刻，必須確保只有一個驅(qū)動器在工作。如果多個驅(qū)動器同時嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致總線爭用（Bus Contention），這會造成數(shù)據(jù)沖突和通信錯誤。
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軟件控制：避免總線爭用的關(guān)鍵在于精確的控制策略。這通常通過軟件來實現(xiàn)，通過邏輯判斷和控制信號，確保在任何時刻只有一個驅(qū)動器處于活動狀態(tài)。

硬件保護(hù)：有時還需要硬件保護(hù)措施，例如使用終端電阻來減少信號反射，并提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。
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& C9 F, N7 I6 E) q" _% ?信號電平
4 h& ~3 Q0 `( ^* r- f8 X; hRS-485 標(biāo)準(zhǔn)的一個關(guān)鍵特點是其電氣性能，特別是驅(qū)動器和接收器的差分信號特性。
7 b" o# P- p6 B% R) oRS-485 信號電平特性：
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3.1、驅(qū)動器的差分輸出
符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器在 54Ω 負(fù)載上能提供不小于 1.5V 的差分輸出電壓。這意味著驅(qū)動器能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號，以確保信號在電纜和連接器中經(jīng)過長距離傳輸后仍能保持較好的質(zhì)量。

負(fù)載阻抗：RS-485 驅(qū)動器的設(shè)計考慮了電纜的特性阻抗，通常為 120Ω。為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜筒季�需求，標(biāo)準(zhǔn)允許在 54Ω 負(fù)載下仍能保持足夠的差分電壓。

差分電壓：1.5V 的差分電壓提供了一個穩(wěn)定的信號強(qiáng)度，即使在較長的傳輸距離和負(fù)載條件下也能有效地傳輸數(shù)據(jù)。高于 1.5V 的差分輸出可以有效應(yīng)對信號衰減和噪聲干擾。
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, ]# ~1 X4 \, m$ Y/ v+ ?  ~. A3.2、接收器的差分輸入靈敏度
5 a2 W( p; l) s: eRS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求接收器能夠檢測到低至 200mV 的差分輸入電壓。這種高靈敏度使得接收器能夠在信號嚴(yán)重衰減或噪聲干擾的情況下，仍能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。

檢測閾值：200mV 的差分輸入靈敏度意味著接收器可以處理很小的信號電平變化，從而提高了在長距離傳輸中的數(shù)據(jù)接收可靠性。

信號衰減：在長距離傳輸和惡劣環(huán)境中，信號可能會遭受顯著的衰減和干擾。接收器的低閾值設(shè)計確保即使信號衰減嚴(yán)重，也能可靠地恢復(fù)數(shù)據(jù)。

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3.3、穩(wěn)健性和應(yīng)用
RS-485 的這些電氣特性使其非常適合在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行長距離聯(lián)網(wǎng)，具有以下優(yōu)勢：

抗干擾能力：高于 1.5V 的差分輸出電壓和低至 200mV 的輸入靈敏度，使 RS-485 網(wǎng)絡(luò)能有效抵御外部電磁干擾（EMI）和噪聲。差分信號傳輸?shù)奶匦阅軌蛴行б种乒材Ｔ肼�，從而提高通信的魯棒性�?li>長距離傳輸：RS-485 能夠在長達(dá) 4000 英尺（約 1200 米）的電纜長度下保持較好的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景。

高可靠性：無論是在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備還是消費電子產(chǎn)品中，RS-485 的這些特性都保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃�，能夠在�?fù)雜的環(huán)境條件下穩(wěn)定運行。
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電纜類型
2 U& @7 p# q& W! G5 f在 RS-485 應(yīng)用中，雙絞線是傳輸差分信號的理想選擇。
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7 j: m# f  v) b; x  Q( N4.1、雙絞線的優(yōu)勢
, Y) z4 R- u6 p  o: M. M' d7 n雙絞線傳輸差分信號具有顯著的優(yōu)勢，這主要歸因于其結(jié)構(gòu)和電磁干擾（EMI）的處理方式：

共模干擾抑制：雙絞線由兩根互相纏繞的導(dǎo)線組成，這種結(jié)構(gòu)使得外部電磁干擾源會均等地耦合到兩根信號線上。由于 RS-485 的差分信號傳輸原理，這些共模干擾會在接收器端被有效地取消，從而減少了噪聲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?li>信號完整性：通過將兩個信號線緊密纏繞，雙絞線在傳輸過程中保持了信號的完整性，并減少了由電纜自身的電磁干擾引起的信號損失。
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4.2、工業(yè) RS-485 電纜類型

工業(yè)用 RS-485 電纜主要有以下幾種類型，每種類型都有其適用的場景和特性：
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有保護(hù)套電纜：這種電纜在雙絞線外層覆蓋了一層金屬屏蔽，能有效阻擋外部電磁干擾，提供額外的保護(hù)，適用于干擾嚴(yán)重的環(huán)境。

無保護(hù)套電纜：適用于干擾較少的環(huán)境，成本較低，但對外部干擾的抵抗力較弱。

雙絞線：是最常見的 RS-485 電纜類型，通過雙絞的設(shè)計提高了信號的抗干擾能力。

非屏蔽雙絞線：通常用于低成本的應(yīng)用場合，不具備額外的干擾屏蔽功能。
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所有這些電纜通常符合 22-24 AWG 的線規(guī)，其特性阻抗為 120Ω，這與 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求的特性阻抗一致。下圖展示了典型的四線對電纜的橫截面結(jié)構(gòu)。
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6 ^" I0 j. }' O) ^6 _  }! e! g4.3、電纜設(shè)計和應(yīng)用
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四線對電纜：這種電纜具有四根導(dǎo)線，通常用于支持兩個全雙工網(wǎng)絡(luò)。全雙工網(wǎng)絡(luò)需要兩個獨立的信號對來實現(xiàn)同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

兩對和單對電纜：適用于低成本的半雙工系統(tǒng)設(shè)計。半雙工系統(tǒng)只需要一對信號線來傳輸和接收數(shù)據(jù)，但不能同時進(jìn)行。

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# t# h- s; E  U" q3 w' k4.4、印制電路板布局
除了選擇合適的電纜外，RS-485 系統(tǒng)的穩(wěn)定性還依賴于印制電路板（PCB）的設(shè)計：

信號線布置：印制電路板上的信號線應(yīng)該盡可能靠近并等長，以保持電氣特性的一致性。這可以減少信號傳輸過程中的干擾和信號失真。

電氣特性匹配：PCB 的布局應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)的電氣特性相匹配，以確保良好的信號傳輸性能和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

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, E+ V, o/ o* P總線終端和存根長度
為了確保 RS-485 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性和可靠性，必須合理地管理端接和存根。

5.1、端接的重要性
* a/ Q" U( U7 ], d% d端接的目的是防止信號在電纜終端反射，這種反射會引起信號失真和數(shù)據(jù)傳輸錯誤。為避免這種情況，必須正確終端電纜，并確保端接電阻與傳輸電纜的特性阻抗匹配：
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特性阻抗：RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用特性阻抗為 120Ω 的電纜。因此，通常在電纜干線的兩端各加一個 120Ω 的終端電阻（如下圖左半部分）。這種做法可以有效地吸收信號反射，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性。

噪聲環(huán)境中的應(yīng)用：在噪聲較大的環(huán)境中，為了進(jìn)一步降低共模噪聲，常常會使用兩個 60Ω 電阻串聯(lián)組成低通濾波器（如下圖右半部分）。這種配置可以提供額外的共模噪聲濾除能力。然而，需要確保兩個 60Ω 電阻的匹配精度（建議使用精度為 1% 的電阻），否則，電阻值的偏差會導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)不一致，可能將共模噪聲轉(zhuǎn)化為差分噪聲，從而降低接收器的抗干擾能力。
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5.2、存根管理
% p  R$ f+ c4 N4 s/ k* ]存根指的是從電纜干線分出的短電纜或?qū)Ь�，用于連接到其他節(jié)點。為了避免存根對信號完整性產(chǎn)生負(fù)面影響，應(yīng)盡量縮短存根的長度。存根的長度應(yīng)滿足以下條件：

電氣長度：存根的電氣長度（即收發(fā)器與電纜干線之間的距離）應(yīng)小于驅(qū)動器輸出上升時間的 1/10。通過以下公式可以計算最大存根長度：
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下表列出了不同驅(qū)動器上升時間對應(yīng)的最大存根長度。較長的上升時間允許使用更長的存根，同時也有助于減少驅(qū)動器產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。
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失效保護(hù)
失效保護(hù)是確保 RS-485 接收器在信號丟失情況下能夠輸出穩(wěn)定和確定狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)計要素。
9 A8 ^( |- Z  b) E8 k2 P& r6.1、信號丟失的原因
信號丟失（Loss of Signal, LOS）可能由以下三種情況引起：

開路：線纜中斷或收發(fā)器從總線斷開。這種情況會導(dǎo)致信號完全消失。

短路：差分對的兩根導(dǎo)線因絕緣層失效而接觸在一起，導(dǎo)致信號無法正常傳輸。

總線空閑：當(dāng)所有總線驅(qū)動器均未處于活動狀態(tài)時，總線變?yōu)榭臻e狀態(tài)，沒有信號輸出。

- b0 B: z1 P7 P7 P- [在上述情況下，如果接收器缺少輸入信號，傳統(tǒng)的接收器可能會輸出不穩(wěn)定或隨機(jī)的狀態(tài)�，F(xiàn)代接收器內(nèi)部通常包含偏置電路，以應(yīng)對這些失效情況。
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6.2、失效保護(hù)機(jī)制
7 F. h! U& h3 \! F4 h8 h! N為解決信號丟失的問題，現(xiàn)代接收器設(shè)計包含以下失效保護(hù)機(jī)制：
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內(nèi)部偏置電路：這些電路可以在信號丟失時生成一個確定的輸出狀態(tài)。內(nèi)部偏置電路會對開路、短路和總線空閑情況提供保護(hù)，使接收器能夠輸出一個穩(wěn)定的狀態(tài)，即使輸入信號為零。

噪聲容限：雖然內(nèi)部偏置電路能提供一定的保護(hù)，但最壞情況下的噪聲容限可能僅為 10mV。在干擾環(huán)境中，額外的外部失效保護(hù)電路是必要的，以增加整體系統(tǒng)的噪聲容限。

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6.3、外部失效保護(hù)電路設(shè)計
% J* f& K2 f( b. C為了提高噪聲容限，需要設(shè)計外部失效保護(hù)電路。外部失效保護(hù)電路通常由電阻分壓器組成，其主要作用是提供足夠的總線差分電壓，以確保接收器能夠生成確定的輸出狀態(tài)。

6 u4 X. v7 g+ v1 x% e2 u& `+ F具體設(shè)計步驟如下：

計算總線電壓：外部電阻分壓器的設(shè)計需要考慮最小總線電壓、接收器的輸入閾值以及最大差分噪聲。設(shè)計公式為：
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( E$ ?! s) w2 B# y: d5 I: I2 p2 V
# [6 {2 x. t# B其中：
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VAB = 總線差分電壓

Vin = 最小總線電壓（4.75V，通常取 5V 減 5%）

Z0 = 電纜特性阻抗（120Ω）

Vnoise = 測得的最大差分噪聲
& J, J* |0 l7 _! x; G& F5 A, D
! U. e; [; @' J. y/ }) P+ j假設(shè)最小總線電壓為 4.75V，接收器的輸入閾值VAB 為 0.25V，電纜特性阻抗Z0 為 120Ω，則可以計算出外部電阻RB 的值。根據(jù)公式計算得到：
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在實際應(yīng)用中，可以選擇兩個 523Ω 的電阻器串聯(lián)，以實現(xiàn)所需的電阻值。這個配置可以如下圖所示建立失效保護(hù)電路。

7 P4 _) i) x2 W0 D3 ^  z4 L
6 Y  D" b7 K! @6 E4 N: n% g3 i* O
* K4 N6 m, E+ _( }" i使用兩個 523Ω 的電阻器串聯(lián)，插入到終端電阻 RT 中，可以建立有效的失效保護(hù)電路。這種設(shè)計可以確保即使在信號丟失的情況下，接收器也能輸出穩(wěn)定的狀態(tài)，并提高整體系統(tǒng)的抗干擾能力。
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& f( ~4 \, |" L: H總線負(fù)載
驅(qū)動器的輸出性能主要取決于它需要為負(fù)載提供的電流，因此在總線上增加收發(fā)器和失效保護(hù)電路會直接增加總負(fù)載電流的需求。為了合理估算總線所能承受的最大負(fù)載數(shù)，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)引入了單位負(fù)載（UL）這個概念。單位負(fù)載表示約 12kΩ 的負(fù)載阻抗，而符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動多達(dá) 32 個單位負(fù)載。

) o9 O! A  s7 r: ?在實際應(yīng)用中，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代收發(fā)器的設(shè)計逐漸優(yōu)化，能夠顯著降低單位負(fù)載。例如，1/8 UL 的收發(fā)器相比傳統(tǒng)的 1 UL 設(shè)計，負(fù)載阻抗更高，導(dǎo)致電流消耗更低，因此可以在總線上連接更多的收發(fā)器設(shè)備。理論上，這種優(yōu)化設(shè)計可以使總線支持多達(dá) 256 個收發(fā)器連接。

6 D2 S- w* W$ n盡管現(xiàn)代收發(fā)器減少了單位負(fù)載，但失效保護(hù)偏置電路仍然會對總線負(fù)載產(chǎn)生影響，尤其是在需要確保系統(tǒng)在信號丟失情況下仍能輸出確定狀態(tài)時。這種失效保護(hù)偏置可能貢獻(xiàn)多達(dá) 20 個單位的總線負(fù)載，因此計算總線最大負(fù)載時，必須將這一因素考慮在內(nèi)。
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8 U' k- r: @' X) Z/ t' W為了計算總線上可以連接的最大收發(fā)器數(shù)量 N，我們可以使用以下公式：
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, n. K4 V3 ^2 b+ o2 B- K
/ V5 }& D; ~1 w: E% z0 ]6 s舉例來說，當(dāng)使用 1/8-UL 的收發(fā)器時，最大連接數(shù) N 計算如下：

1 d1 a4 s% c1 D) j# q

因此，若在 RS-485 總線上使用 1/8 UL 的收發(fā)器設(shè)計，最多可將 96 個器件連接到總線中。這一計算確保了即使在總線負(fù)載增加的情況下，系統(tǒng)仍然可以保持穩(wěn)定的性能，不會因負(fù)載過大而導(dǎo)致通信故障或數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。
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在實際工程設(shè)計中，雖然公式提供了理論上的最大連接數(shù)，但為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，工程師在設(shè)計時應(yīng)考慮到可能的環(huán)境干擾、信號衰減以及其他系統(tǒng)因素。建議在接近理論最大值時，保留一定的裕量，以便應(yīng)對不確定因素帶來的潛在影響。
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5 P$ S9 Q, \( S3 n8 v4 L數(shù)據(jù)速率與總線長度
在確定 RS-485 總線的最大傳輸長度時，數(shù)據(jù)速率、傳輸線損耗和信號抖動都是關(guān)鍵因素。在特定數(shù)據(jù)速率下，信號抖動超過波特周期的 10% 時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴�顯著降低。為了直觀展示這一關(guān)系，下圖描繪了傳統(tǒng) RS-485 電纜在 10% 信號抖動情況下，不同電纜長度與數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。
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/ t3 k! r: B# e% ]% E2 XA. 短電纜長度與高數(shù)據(jù)速率區(qū)域
0 c3 o# g( K* Z# ?+ F7 W- P2 K" R; l圖形的第 1 部分展示了短電纜長度下的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。在這一部分，傳輸線路的損耗幾乎可以忽略不計，數(shù)據(jù)速率的限制主要取決于驅(qū)動器的上升時間。雖然 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議的最高數(shù)據(jù)速率為 10Mbps，但隨著現(xiàn)代接口電路的發(fā)展，當(dāng)前的系統(tǒng)可以支持高達(dá) 40Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此時，電纜長度對數(shù)據(jù)速率的影響最小。
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) }1 Y. Q6 e9 R4 _B. 從短電纜到長電纜的過渡區(qū)域
第 2 部分展示了數(shù)據(jù)線路從短到長的過渡區(qū)域。在這個區(qū)域，傳輸線路損耗開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率必須隨電纜長度的增加而降低。根據(jù)經(jīng)驗法則，電纜長度（米）與數(shù)據(jù)速率（bps）的乘積應(yīng)小于 10710^7107。例如，若數(shù)據(jù)速率為 1Mbps，則電纜長度應(yīng)不超過 10公里。然而，這個經(jīng)驗法則較為保守，實際應(yīng)用中使用的電纜性能可能允許更長的電纜長度，但仍需注意信號完整性和可靠性。
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C. 低頻率下的信號衰減與電纜長度
圖形的第 3 部分展示了較低頻率范圍內(nèi)的情況。在此范圍內(nèi)，信號衰減主要由線路電阻決定，而非開關(guān)速度。隨著電纜長度的增加，電纜的電阻接近于終端電阻的值，形成了一個電壓分壓器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致信號衰減大約為 -6dB。對于 120Ω 阻抗的 22 AWG 非屏蔽雙絞線 (UTP)，這一情況通常發(fā)生在電纜長度達(dá)到約 1200米時。
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4 S/ Q0 n7 \! k; c4 f最小節(jié)點間距
8 m0 t3 K1 V( U, dRS-485 總線是一種典型的分布式參數(shù)電路，其電氣特性主要由沿物理介質(zhì)（包括互連電纜和印刷電路板軌線）分布的電感和電容共同決定。這種分布式參數(shù)結(jié)構(gòu)意味著在設(shè)計 RS-485 網(wǎng)絡(luò)時，必須特別注意總線的電氣負(fù)載和阻抗匹配，以確保信號完整性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
5 |# y* h) G  p2 V當(dāng)在 RS-485 總線中添加器件或互連電路時，會引入附加的電容，這些電容會降低總線的特性阻抗。隨著總線阻抗的降低，總線的介質(zhì)與負(fù)載部分之間的阻抗可能不匹配，導(dǎo)致信號在這些不匹配點處反射回源端。這種反射可能會引起驅(qū)動器輸出信號的失真，從而影響接收器接收到的信號質(zhì)量。
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為了確保從驅(qū)動器輸出的信號在到達(dá)接收器時仍能保持有效的電壓電平，必須保持總線上的最小負(fù)載阻抗 Z′>0.4×Z0（其中Z0 為傳輸線的特性阻抗）。這一要求可以通過在總線節(jié)點之間保持最小距離 d 來實現(xiàn)。該最小距離 d 可以由以下公式計算：

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其中：

CL 是集總負(fù)載電容，即器件、連接器、印刷電路板軌線等引入的附加電容。

C′ 是每單位長度的介質(zhì)電容（如電纜或 PCB 軌線的分布電容）。

' o1 {# w+ g# ]; w% ~上面方程式表明了器件間距 d 與分布式介質(zhì)電容C′ 和集總負(fù)載電容 CL 的關(guān)系。下圖則以圖形方式展示了這種關(guān)系，直觀地展示了不同電容值下，器件之間的最小間距要求。
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+ R9 G0 S& g  v9 \5 U) r' u7 T影響總線電容的主要因素如下：
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收發(fā)器電容：5V 收發(fā)器的輸入電容通常為 7pF。3V 收發(fā)器的輸入電容則大約是 16pF，幾乎是前者的兩倍。

PCB 軌線電容：取決于電路板設(shè)計和結(jié)構(gòu)，PCB 軌線每厘米通常會增加 0.5~0.8pF 的電容。

連接器和保護(hù)器件電容：連接器觸點、電路保護(hù)器件（如ESD抑制器件）的電容范圍可能變化較大，應(yīng)根據(jù)實際設(shè)計進(jìn)行評估。

介質(zhì)分布電容：不同類型的電纜或背板的分布電容也有所不同。

低電容非屏蔽雙絞線電纜的分布電容通常為 40pF/m，而背板的分布電容可能高達(dá) 70pF/m。
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為了確保 RS-485 總線的穩(wěn)定運行，必須盡可能減少集總負(fù)載電容的影響。具體來說，應(yīng)注意以下幾點：

縮短存根區(qū)域的電氣距離：保持總線到收發(fā)器的連接盡可能短，減少信號反射的機(jī)會。

合理選擇收發(fā)器：選擇低電容的收發(fā)器，尤其是在需要長距離傳輸或高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中。

優(yōu)化 PCB 設(shè)計：在 PCB 設(shè)計中，盡量縮短信號路徑，并避免不必要的電容負(fù)載。

仔細(xì)選擇電纜和連接器：在布線時，選擇具有較低分布電容的電纜，并確保連接器和其他電氣元件對總線電容的貢獻(xiàn)盡可能小。
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通過對這些因素的精確控制，可以有效減少總線阻抗不匹配所帶來的信號反射問題，從而提高 RS-485 總線系統(tǒng)的信號完整性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
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7 @2 m+ l# V0 n3 V7 m3 i4 F- y/ v, m接地和隔離
/ ]7 L8 D) H# H8 ^- f在設(shè)計遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時，設(shè)計人員必須考慮接地電勢差（GPD）可能帶來的問題。這些電壓差異會以共模干擾的形式疊加到傳輸線上，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸故障。雖然總疊加信號可能仍在接收器輸入的共模范圍內(nèi)，但依賴本地接地作為電流回路是相當(dāng)危險的（如下圖a 所示）。由于遠(yuǎn)程節(jié)點可能從不同電氣設(shè)備獲取電源，在維護(hù)或設(shè)備更改期間，接地電勢差可能超出接收器的輸入共模范圍，導(dǎo)致原本正常運行的數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障。

' J1 c! G# I" S( I9 U7 c; V( G& `直接通過接地線連接遠(yuǎn)端地也并不可取（如下圖b 所示），因為這可能引發(fā)大電流環(huán)路，進(jìn)而將共模噪聲引入信號線。為了有效隔離遠(yuǎn)端地，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議在設(shè)備地與本地系統(tǒng)地之間插入電阻器（見下圖c）。這種方法雖然可以減少環(huán)路電流，但由于仍然存在大電流環(huán)路，數(shù)據(jù)鏈路仍然容易受到沿環(huán)路路徑產(chǎn)生的噪聲的影響。因此，這種方式并不能完全保障數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性。
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要建立一個能夠容忍數(shù)千伏接地電勢差且適用于長距離傳輸?shù)膹?qiáng)健 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路，最有效的方法是對信號和電源進(jìn)行隔離（見下圖）。在這種配置下，電源隔離器（如隔離的直流/直流轉(zhuǎn)換器）和信號隔離器（如數(shù)字電容隔離器）可以防止遠(yuǎn)程系統(tǒng)地之間的電流流動，避免形成環(huán)路電流。

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" K/ f8 Z( s. f0 S. D( R( `下圖則展示了多個隔離收發(fā)器的示例配置。在這其中，除一個收發(fā)器外，所有收發(fā)器都通過隔離設(shè)備接入總線。左側(cè)的非隔離收發(fā)器為整個總線提供了單一的接地基準(zhǔn)，這種配置在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，確保了數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。

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資源參考來源：TI RS-485 設(shè)計指南。

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