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RS485通信接口設(shè)計技巧

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0 o& }- ^% u' x! Q( O+ Q0 W點擊上方藍色字體,關(guān)注我們. r' T: O5 D% }$ e- M8 `
1983年,電子工業(yè)協(xié)會(EIA)批準了一項新的平衡傳輸標準,稱為RS-485。作為一種強大而靈活的標準,RS-485迅速獲得了廣泛的認可,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。) w, p( k& t+ |
RS-485的優(yōu)勢在于其適應(yīng)性強、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。
2 J2 Q/ }" N0 E  U8 U1. O' }7 Y1 A  \
標準和特性1 V3 Q5 W+ g& R# R
RS-485 是一種電氣標準,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、機械和電氣規(guī)格的完整接口標準不同,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。0 Y. Q8 f. v8 q; s# F( H2 f, R( D

) T6 v: z) X# Y' `" T4 pRS-485 標準因其電氣特性被廣泛應(yīng)用于多個更高級別的協(xié)議和標準。例如,在中國,電能表通訊協(xié)議標準 DL/T645 明確將 RS-485 作為物理層標準。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)。
( l* ~) }1 b/ v) j) V2 L" Y1 T) C% i8 ^& s2 S' G* G
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 個單位負載(每個設(shè)備的負載被稱為一個單位負載),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。* @1 `* T. n- s, [. h
    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。
    # P& E" P0 ]& E9 \" f: ]

    7 X( S- D' p- a+ C8 J2! u$ a* O6 S+ C7 g- F+ Q
    網(wǎng)絡(luò)拓撲
    . o9 a  J/ @- I3 zRS-485 標準建議使用菊花鏈(Daisy Chain)來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
    0 U# N# z3 I7 ]" V$ Z( g* v0 e; ?
    菊花鏈拓撲(Daisy Chain)是 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中常見的連接方式。在這種拓撲結(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。主干線在拓撲中起到承載信號的作用,而存根則連接每個具體的設(shè)備。. @2 m3 D9 ^3 ~1 ~3 N

    8 `7 Y) V0 v5 R! K/ d) ^
  • 主干線:作為信號傳輸?shù)闹饕ǖ溃械脑O(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。
    + A+ W: z2 L/ Q" }" \5 n

    ' H& Z( x% q, f$ a3 ^3 O) B這種拓撲結(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。
    / I/ Y2 T9 y' h9 H+ c* W! b% l) p1 n* {   U5 m& V6 U+ J! p, Q

    / O: B' M; p5 J* {( G8 m8 oRS-485 支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式:全雙工(Full-Duplex)和半雙工(Half-Duplex)。* V2 [8 Y: `! I, F# l1 o  T) r
    & A' N; s+ y# B: _
    全雙工模式  X" s( i5 _9 m" R6 r1 ]  {, N( ]
  • 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。
    1 L9 T. m* e( A3 A1 F
    7 N9 G: ]0 {  u' S

    1 i) W" y7 D' s: }1 F- j( X6 V8 I% O4 o
    半雙工模式:& }* W$ a" n  C6 Z8 q6 B8 e4 W4 c+ o
  • 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。' Q. P( D% e) H" \1 W
    & U! ^& R* V- n+ e* M2 b

    # i0 Y1 `5 p- R& u ) B+ _0 d' ^: b; r

    " R1 ?( y1 o; }& j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。
    ( q. t/ H  ~% ]- i% D  ~+ c# ^
    + T8 D# s7 r' ^) N1 v% Z5 c6 F8 y
  • 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:有時還需要硬件保護措施,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。# ~+ ?8 P6 L: d- v
    ; g3 H6 @$ h) H0 K% a3 O
    3
    : F' J1 e4 t8 _. C信號電平4 C' r$ [6 q; H4 e% q4 G$ |
    RS-485 標準的一個關(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。
    9 @0 y4 ~) a% ^! M1 L7 URS-485 信號電平特性:
    . T9 f4 l, k8 J; l+ g3 D6 g7 \
    0 U3 t2 ?/ q+ o; ^7 q

    7 ~* p$ C( s; h2 y3.1、驅(qū)動器的差分輸出
      M! q; B; t7 Y符合 RS-485 標準的驅(qū)動器在 54Ω 負載上能提供不小于 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。
    & u- Y6 }0 y2 U
  • 負載阻抗: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)拓撲和布線需求,標準允許在 54Ω 負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)定的信號強度,即使在較長的傳輸距離和負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。9 {7 c: w+ e  H0 F) ^) m  F
    2 C  w! n( [9 i# \7 L
    * F* J) G! e- q, I# g* n, |
    3.2、接收器的差分輸入靈敏度  h# B/ h: W. }2 R* w4 D7 |
    RS-485 標準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重衰減或噪聲干擾的情況下,仍能準確接收數(shù)據(jù)。
    . B% t' n' i9 {- d
  • 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重,也能可靠地恢復(fù)數(shù)據(jù)。
    9 W( m* A& `2 N. B7 b

    # Y/ |* @: u# f: \5 t
    8 ^- H) C/ J5 Y+ g4 P; A
    3.3、穩(wěn)健性和應(yīng)用
    - ~  l, [# @! Q* j8 sRS-485 的這些電氣特性使其非常適合在嘈雜環(huán)境中進行長距離聯(lián)網(wǎng),具有以下優(yōu)勢:
    0 ~+ I8 v; r9 [6 i# \7 q. U
  • 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 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)母呖煽啃裕軌蛟趶?fù)雜的環(huán)境條件下穩(wěn)定運行。
    ) ?  z5 m) l4 q* i7 O6 w3 H

    $ ]9 a5 a% l! L# {( u4 \: c
    9 R  M3 Y* j: B ( S. f0 h/ G1 Q+ K' g. k+ M
    ) p7 \3 ^8 [: w. A
    44 ~; l1 m4 K) _4 A% S2 V
    電纜類型
    / |' z) b! \* g# k在 RS-485 應(yīng)用中,雙絞線是傳輸差分信號的理想選擇。
    ' ?5 N0 X; Q2 I0 k8 n- }7 R0 b% ]
    $ A# M. c+ P; p; u4 o
    4.1、雙絞線的優(yōu)勢- `3 i0 J% S4 R% Y( s' v
    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:
    - q0 B4 b  W2 L, ]
  • 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。
    ' n' R/ T( @/ w. l5 B6 a
    3 I) |& r* i) V) X

    - h4 X( U4 |2 U) N" d% c4.2、工業(yè) RS-485 電纜類型7 o, x  K8 b1 U3 w( _

    3 s1 J* L' c& |) k- J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:9 G+ s) Z/ w+ c7 V( k+ d, ]
  • 有保護套電纜: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,適用于干擾嚴重的環(huán)境。
  • 無保護套電纜: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。
    & _9 B+ ], |7 w
    * k: x2 P: Y- E/ k6 v/ ^5 Z
    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 標準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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    7 r; w; r4 G3 z" w
    2 p- y' `$ J8 f7 f- z  {- D/ p- O1 H% J& l7 E$ B
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    4.3、電纜設(shè)計和應(yīng)用9 T4 \8 g/ [; F2 f) c
  • 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),但不能同時進行。$ o: D1 W  G2 r
    0 O# g% g% I$ y" b' r8 E4 Z

    % Y3 H) d( j2 {% k, Q* {4 S- p4.4、印制電路板布局
    $ \! |$ @  Z& o* U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:- X! i: t0 C: ~! O& O- T
  • 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。
    % {5 G' n7 e: s& R3 \- x  B, A
    , D, E3 r7 ]. ~* M, \
    5( q1 I$ v* q8 ?* L, Z
    總線終端和存根長度- r8 }8 i- x* W: y
    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。
    - y& D1 M% j; e) P' Z7 ^4 L" [
    ' e# u6 h) o' ]8 X. o; k5.1、端接的重要性" `1 E! s: G9 A- @. u# F
    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:
    4 ^" Q, l$ p8 r5 x* W( n8 X9 ^
  • 特性阻抗:RS-485 標準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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    $ v: M7 Y( x9 C3 p3 v

    0 [& z" E% i  Z: ?4 e7 @/ [6 |( m! P9 I 8 N8 N& W' f# c4 o9 `  L0 {- B& e
    : K# M/ @6 u3 @# L& x+ U) J/ f. C
    5.2、存根管理# n7 C* U! m3 j9 F! R6 r) U& h% A
    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:5 j6 d5 D: z, ^9 w5 `3 ~8 X/ F
  • 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:( D* K5 b8 Y' a4 K/ Z1 G: L- H' z3 Q
    4 G( a5 k! ]! {. F, L* e- T0 m7 _3 y1 k

      h1 ^4 n2 ?4 j, D9 [7 P- G. ~
    $ R2 s* _* N" H; T$ n# y+ t7 d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)。& T% `: P! E% A& h7 s
    3 o8 J7 i: E, D8 ^
    % M' I1 G* r* {

    , o8 d$ d+ Q8 a" F6 |/ P9 U6
    6 E+ u. W- v2 T2 s% X0 G  h失效保護5 R* k. V( S% U* b* |
    失效保護是確保 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。1 d* ?6 [5 J1 R$ c+ }: H
    6.1、信號丟失的原因' K" U2 ?# ~+ U8 g
    信號丟失(Loss of Signal, LOS)可能由以下三種情況引起:
    , I/ F% _: g! E4 L
  • 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。$ J( @+ o7 R" f' F

    " c8 `- d: T; p  G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。! N/ j9 {9 I& ^8 q8 A

    " ]8 y  c6 o! _/ g6 T

      s0 B! U& D% B3 r/ l6.2、失效保護機制; V- Z! _2 H: |1 L6 e
    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機制:
    8 G; V) x4 h) S3 b) q+ x
  • 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,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,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電路是必要的,以增加整體系統(tǒng)的噪聲容限。( j' L& V. E% g( j9 Y0 E9 V

    ) Q- z; b( H! N3 u' X
    0 m9 q' h- p6 i$ W" f
    6.3、外部失效保護電路設(shè)計
    0 C9 S9 t# E! I2 T$ M為了提高噪聲容限,需要設(shè)計外部失效保護電路。外部失效保護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)。4 ]! J1 ?5 M$ E) g$ `# k. b: P
    8 d( x: `4 j4 N  b! F
    具體設(shè)計步驟如下:
    $ Q6 E+ }1 B" c" R
  • 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:+ X' S- n: A+ w9 ?+ R! x! b8 V+ ^3 z3 K

    , P/ y2 {7 P7 {, m9 R2 u9 x) U
    2 @4 O% O& j5 Q9 t. _其中:$ n4 s. j- g) A, [- s
  • 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* h0 I1 m, R8 F/ J1 m4 y# u7 z% Z
      q! L) j3 s8 T
    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:6 o$ ~0 n  c) U. Y, O: A
    4 l/ v% v$ Z  K
    & Z& Q& H7 N5 F( B% c
    % t$ n! q$ [: k, I3 j
    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電路。
    : l- x8 f% }# }' l8 ]; j6 `4 ?% Z1 v# q, Y( j. n
    ( ]4 @% ]1 A* W

    ; o! o, ~% J6 U) r5 q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。
    1 J9 a/ \& J. ]; k7
    2 x: v) j6 ?9 S" m; o# i* m. [2 h總線負載
    9 c7 P& |6 J) U; o驅(qū)動器的輸出性能主要取決于它需要為負載提供的電流,因此在總線上增加收發(fā)器和失效保護電路會直接增加總負載電流的需求。為了合理估算總線所能承受的最大負載數(shù),RS-485 標準引入了單位負載(UL)這個概念。單位負載表示約 12kΩ 的負載阻抗,而符合 RS-485 標準的驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動多達 32 個單位負載。
    ) |; I0 X9 _  G6 K1 @( M; q/ t; M1 K- G4 ]( M1 I' c% q0 h2 h  l$ @
    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載。例如,1/8 UL 的收發(fā)器相比傳統(tǒng)的 1 UL 設(shè)計,負載阻抗更高,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 256 個收發(fā)器連接。
    : U& @, A9 |: ^+ |
    6 k9 V) k6 R# h% o1 e盡管現(xiàn)代收發(fā)器減少了單位負載,但失效保護偏置電路仍然會對總線負載產(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。這種失效保護偏置可能貢獻多達 20 個單位的總線負載,因此計算總線最大負載時,必須將這一因素考慮在內(nèi)。
    8 z% |8 a4 q- n, W: o8 B- x1 \/ a  Z$ v/ p! x; F: M
    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:6 s2 [) K3 Z) g: r, e
    6 z8 {( |+ ~! O( Q9 T
    : i8 e  S; w: f1 s" Q5 G

    5 c& g6 [" P1 Q  o4 Z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:. U9 D& i- }# k# C' s# k, }9 {. A

    " i0 H9 z  e2 }, w. V/ X  N6 ~3 m" N
    + L6 ?; R7 M2 F3 \3 L
      b3 ?( K5 i! y% X) {6 `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,不會因負載過大而導(dǎo)致通信故障或數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。
    / P% T0 P1 K$ F1 _! T$ D  T* y( J4 s2 Q( C
    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。
    3 a- @& J0 v  W9 q8( i0 ^: y4 y* e- [- |! h+ |6 x
    數(shù)據(jù)速率與總線長度0 U3 B  N. E1 W9 E1 @9 N
    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@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。
    ) l0 h% K/ v; Z. r& O% W
    % Y- u* i  v" q8 ~$ O ) o! c  q( U" k) D, X  i$ |. N
    1 J; ^9 `5 [1 ^9 M- I# I& {
    ; J3 U( s; [. H5 j% E: l2 m& v
    A. 短電纜長度與高數(shù)據(jù)速率區(qū)域8 F8 O# q, D# u' G2 k
    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 標準建議的最高數(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 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。
    " k) p3 B9 X, [1 M! I% K% s' g& ~6 h( v7 @  J3 T
    3 O( ?2 }; w. C2 P' Z
    B. 從短電纜到長電纜的過渡區(qū)域
    1 ~2 c' @9 M: d* h* j0 Q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。2 L" M+ }/ o6 N$ l( s) v
    ! U) a5 `) W; h' n- l4 c$ |

    + A# l$ u3 g3 U: fC. 低頻率下的信號衰減與電纜長度6 `0 J$ F8 W. W, }; z; ^
    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)生在電纜長度達到約 1200米時。$ i8 A3 X8 D. Q3 V+ u5 T6 d% C' E
    96 `" N- ?$ q0 b% u+ U( Y
    最小節(jié)點間距8 c% ]1 b. s9 A+ |9 C. g
    RS-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載和阻抗匹配,以確保信號完整性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
    4 K; x3 w/ R% G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。
    - _) ^/ E( ^+ r& Q9 S$ ]4 w% ~. u: T1 r$ z% m
    為了確保從驅(qū)動器輸出的信號在到達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:/ C- J2 |- E: X+ ]- t

    8 @+ F9 B& o4 R  f  b2 S& E4 b: p1 a3 H+ f) y+ h" j$ Z" i
    其中:/ i( g' {) @2 l, t
  • CL 是集總負載電容,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)。
    3 n& Z2 f6 I2 }/ G& t9 O/ s

    $ a4 @9 `1 n: t  F0 p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。2 j/ [9 V4 G3 O$ b8 h9 ~) d
    % x6 p  F; U" K: h  I# m. e$ q8 S

    " R3 T( i* ?* U% {& E- z" ^1 U; \) K" g
    3 E3 F+ y( v* }, y影響總線電容的主要因素如下:
    : h/ z  a) D& ~- }
  • 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。
  • 連接器和保護器件電容:連接器觸點、電路保護器件(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 70pF/m。
    / K' f3 j# O' g, N% u$ Q, `; Y
    1 v2 q( F: G/ K$ M/ \
    為了確保 RS-485 總線的穩(wěn)定運行,必須盡可能減少集總負載電容的影響。具體來說,應(yīng)注意以下幾點:# D! ~' l6 s/ P, u. V
  • 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載。
  • 仔細選擇電纜和連接器: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盡可能小。
    - e) P. q0 n( W5 V! ]. W

    0 G# T" S+ [0 i8 L  j% J5 V4 U# z1 `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。$ ?, y3 u  O1 A. ~
    10
    . S8 i3 c6 f6 {$ s接地和隔離  Q6 W* Y2 r9 K
    在設(shè)計遠程數(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)。由于遠程節(jié)點可能從不同電氣設(shè)備獲取電源,在維護或設(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。4 X7 _7 c3 Q! F6 C
    ! p* E3 Y* u# c2 Z
    直接通過接地線連接遠端地也并不可。ㄈ缦聢Db 所示),因為這可能引發(fā)大電流環(huán)路,進而將共模噪聲引入信號線。為了有效隔離遠端地,RS-485 標準建議在設(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。
    7 W1 }4 ^7 \, t- M% J' |& L
    " x4 o! G: s7 X  A" w& a/ u
    9 _: o7 Y# }7 \$ q% Q9 f8 E( r0 e0 M9 L: W- A% c* _
    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)膹娊?RS-485 數(shù)據(jù)鏈路,最有效的方法是對信號和電源進行隔離(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)可以防止遠程系統(tǒng)地之間的電流流動,避免形成環(huán)路電流。
    1 p: X9 W2 r5 t) J/ v( |5 ]$ f% B+ I2 Z2 X0 B! ~( T: ~# M( J

    8 X/ c( w: ~  V
    6 O; Z+ b3 \2 B: W+ U: X) n/ o9 V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,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。
    5 I% n! K1 w/ q3 Z) R
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    ' v& {( B! X! _' d& p# j
    # z4 o3 @  p5 {/ I& `) G0 j4 E$ x( i資源參考來源:TI RS-485 設(shè)計指南。. @% x0 H4 ^6 x1 _, N  B

    6 |6 D" h; w9 d. l, }; W
    + B" }, ?- N0 `8 k4 x1 z
    & f5 v$ n/ j8 H8 u) X5 o) }, l9 j: C2 A) m% v6 I, \; A: t3 `
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