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4 ^+ H3 Q" ?6 M. Z( t點(diǎn)擊上方藍(lán)色字體,關(guān)注我們/ p. y3 F0 L6 r1 o; g- f6 R
1983年,電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)批準(zhǔn)了一項(xiàng)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(fèi)類產(chǎn)品領(lǐng)域,成為工業(yè)接口的主流規(guī)范。
P F( s7 o+ }. y, CRS-485的優(yōu)勢(shì)在于其適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力高,且能夠在長(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。# X! |! z0 a, I
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3 Y) O5 u3 U) j標(biāo)準(zhǔn)和特性0 S5 c+ R* G" F& k4 F
RS-485 是一種電氣標(biāo)準(zhǔn),主要定義了平衡多點(diǎn)傳輸線上的驅(qū)動(dòng)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(gè)更高級(jí)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(jì)量系統(tǒng)。
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RS-485 的主要特性:5 r& P6 j9 g" Q, w5 q7 X; g. ?
平衡接口:RS-485 使用平衡的差分信號(hào)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(huì)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(diǎn)配置:RS-485 允許在同一總線上連接多個(gè)設(shè)備。一個(gè)總線最多可以支持 32 個(gè)單位負(fù)載(每個(gè)設(shè)備的負(fù)載被稱為一個(gè)單位負(fù)載),使其在需要多節(jié)點(diǎn)通信的應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)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。
/ v5 P0 ^# O; s* k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(zhǎng)度:RS-485 的最大數(shù)據(jù)速率為 10Mbps(當(dāng)電纜長(zhǎng)度為 40 英尺時(shí)),而在較低速率下,最大電纜長(zhǎng)度可以達(dá)到 4000 英尺(在速率為 100kbps 時(shí))。這使得 RS-485 適用于需要長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。+ G% d3 e# T; h% ]0 N" ?9 o3 p4 f# B
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網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>! n8 D9 @' ?$ z7 D) m: e* T2 i
RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用菊花鏈(Daisy Chain)來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
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k$ l- q( M* c, [" P& G! I9 g8 n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(diǎn)(驅(qū)動(dòng)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(hào)的作用,而存根則連接每個(gè)具體的設(shè)備。
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& ]; s6 {+ Q! S# n; s' M主干線:作為信號(hào)傳輸?shù)闹饕ǖ,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(gè)設(shè)備通過網(wǎng)存根與主干線連接。為了保持信號(hào)的完整性,存根的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。8 ^& W- h' W/ Q" V) W
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這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于它的簡(jiǎn)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。1 H: \# \% n9 n* ^( E$ i& e
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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)。2 R, f4 ]* r$ B# Z q' b2 l
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全雙工模式:3 y, D; y/ d3 V l2 `' p
信號(hào)對(duì):需要兩個(gè)信號(hào)對(duì)(共四根電線)來實(shí)現(xiàn)全雙工通信,即一個(gè)信號(hào)對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù),另一個(gè)信號(hào)對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。全雙工收發(fā)器:每個(gè)全雙工收發(fā)器具有獨(dú)立的發(fā)送和接收線路,允許節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),從而提高通信效率。
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半雙工模式:
# [7 h9 _$ Q8 q/ ]' E信號(hào)對(duì):僅使用一對(duì)信號(hào)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(gè)信號(hào)對(duì)在某個(gè)時(shí)刻用于發(fā)送數(shù)據(jù),另一時(shí)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(hào)來切換數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收狀態(tài)。這通常由驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào)控制,確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài),以避免信號(hào)沖突。2 t0 ?/ n) c7 ^" K
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% H" I8 Q& j0 x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(shí)刻,必須確保只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器在工作。如果多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù),將導(dǎo)致總線爭(zhēng)用(Bus Contention),這會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突和通信錯(cuò)誤。
' B! U- m7 j0 q; S) @# g7 h( Q. q4 b& B' e& H, M
軟件控制:避免總線爭(zhēng)用的關(guān)鍵在于精確的控制策略。這通常通過軟件來實(shí)現(xiàn),通過邏輯判斷和控制信號(hào),確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于活動(dòng)狀態(tài)。硬件保護(hù):有時(shí)還需要硬件保護(hù)措施,例如使用終端電阻來減少信號(hào)反射,并提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。* c% X D) ~) T/ W" K# }3 o
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信號(hào)電平
; _5 Z; }6 B- p+ Y+ k7 eRS-485 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是其電氣性能,特別是驅(qū)動(dòng)器和接收器的差分信號(hào)特性。
, F$ O( m _" K4 vRS-485 信號(hào)電平特性: T" x9 I ^" \
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3.1、驅(qū)動(dòng)器的差分輸出4 s, Y3 A% T+ P4 a
符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào),以確保信號(hào)在電纜和連接器中經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后仍能保持較好的質(zhì)量。
8 K. i. S% i! O" b' z負(fù)載阻抗:RS-485 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(gè)穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度,即使在較長(zhǎng)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(duì)信號(hào)衰減和噪聲干擾。# g& }. r6 v; E! X/ @% Y: |
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: H! `( h, V/ z) v5 u( P# p/ e5 n: ~) J+ z3.2、接收器的差分輸入靈敏度
+ l7 @2 E! {" M) ` b0 |0 A3 X* R- nRS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求接收器能夠檢測(cè)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(hào)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)。2 B$ C1 m @$ g0 E
檢測(cè)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(hào)電平變化,從而提高了在長(zhǎng)距離傳輸中的數(shù)據(jù)接收可靠性。信號(hào)衰減:在長(zhǎng)距離傳輸和惡劣環(huán)境中,信號(hào)可能會(huì)遭受顯著的衰減和干擾。接收器的低閾值設(shè)計(jì)確保即使信號(hào)衰減嚴(yán)重,也能可靠地恢復(fù)數(shù)據(jù)。8 s, z1 b! W# y" |
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3.3、穩(wěn)健性和應(yīng)用/ e& I4 l3 E0 d- q; x
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(zhǎng)距離聯(lián)網(wǎng),具有以下優(yōu)勢(shì):
- O' y* G' y9 K$ Y+ E2 M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(hào)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(zhǎng)距離傳輸:RS-485 能夠在長(zhǎng)達(dá) 4000 英尺(約 1200 米)的電纜長(zhǎng)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(chǎng)景。高可靠性:無論是在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備還是消費(fèi)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(yùn)行。
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電纜類型/ B- W* Y7 C+ H! P* L! u
在 RS-485 應(yīng)用中,雙絞線是傳輸差分信號(hào)的理想選擇。
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4.1、雙絞線的優(yōu)勢(shì)
- r7 ?. g$ [6 ]( e6 L8 l- k5 \雙絞線傳輸差分信號(hào)具有顯著的優(yōu)勢(shì),這主要?dú)w因于其結(jié)構(gòu)和電磁干擾(EMI)的處理方式:
5 T2 P K' a3 ^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(huì)均等地耦合到兩根信號(hào)線上。由于 RS-485 的差分信號(hào)傳輸原理,這些共模干擾會(huì)在接收器端被有效地取消,從而減少了噪聲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?li>信號(hào)完整性:通過將兩個(gè)信號(hào)線緊密纏繞,雙絞線在傳輸過程中保持了信號(hào)的完整性,并減少了由電纜自身的電磁干擾引起的信號(hào)損失。
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; z4 {- k2 d4 U' s5 j* U) B3 p4.2、工業(yè) RS-485 電纜類型5 a5 U1 v1 W9 @- I- s
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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(chǎng)景和特性:1 |6 a- {% t' k( ~% b3 v
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(duì)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(jì)提高了信號(hào)的抗干擾能力。非屏蔽雙絞線:通常用于低成本的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)電纜的橫截面結(jié)構(gòu)。8 }: k9 i+ M2 D: G9 @- q
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( q1 p# x9 i t1 ?4 N
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; ? ~6 }. p% {6 s* j4.3、電纜設(shè)計(jì)和應(yīng)用
) y3 w. g! V5 g3 V% ?四線對(duì)電纜:這種電纜具有四根導(dǎo)線,通常用于支持兩個(gè)全雙工網(wǎng)絡(luò)。全雙工網(wǎng)絡(luò)需要兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)對(duì)來實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。兩對(duì)和單對(duì)電纜:適用于低成本的半雙工系統(tǒng)設(shè)計(jì)。半雙工系統(tǒng)只需要一對(duì)信號(hào)線來傳輸和接收數(shù)據(jù),但不能同時(shí)進(jìn)行。6 j6 u1 j" s, ]" D j7 g5 D$ R8 I
8 c# a6 }/ U4 F$ I' g/ C5 q
# @5 ?1 N. |+ [& ~8 z# N4.4、印制電路板布局! M% L; _) T; z& ]5 _! }
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(jì):
& G2 i2 j( N# E9 q5 N9 ?: G信號(hào)線布置:印制電路板上的信號(hào)線應(yīng)該盡可能靠近并等長(zhǎng),以保持電氣特性的一致性。這可以減少信號(hào)傳輸過程中的干擾和信號(hào)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(hào)傳輸性能和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。
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8 p! F7 x5 c0 v5 n. i4 v& G" ?總線終端和存根長(zhǎng)度
" k; |6 {4 h7 y* N6 z; k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。 h2 h/ G% a9 \
8 ]6 v/ M* N/ R/ V" p& B7 E5 i5.1、端接的重要性
9 I) @- z, l. y8 ]端接的目的是防止信號(hào)在電纜終端反射,這種反射會(huì)引起信號(hào)失真和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)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:+ L- h) i+ J9 z! u
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(gè) 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(hào)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(huì)使用兩個(gè) 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(gè) 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(huì)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。( b& Y5 Z6 x+ f% P. y0 q
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f8 {/ Y& u4 k9 z* d; [- R5.2、存根管理7 g3 i9 t7 v. o% i' M6 k+ z3 Y, n% W
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(diǎn)。為了避免存根對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響,應(yīng)盡量縮短存根的長(zhǎng)度。存根的長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下條件:
x. {( X4 ^4 s2 j* K- \+ P ?電氣長(zhǎng)度:存根的電氣長(zhǎng)度(即收發(fā)器與電纜干線之間的距離)應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器輸出上升時(shí)間的 1/10。通過以下公式可以計(jì)算最大存根長(zhǎng)度:
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h( ?2 i) {5 ?' z
% R6 I2 C, ]: U$ r下表列出了不同驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的最大存根長(zhǎng)度。較長(zhǎng)的上升時(shí)間允許使用更長(zhǎng)的存根,同時(shí)也有助于減少驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。+ I9 T+ o" o. d, h# K l/ D0 J
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" A) i, o% `8 N# |2 m" g- T0 h1 a' r) U; r7 i$ z5 r3 O
6
* B# B$ Q. ]4 p0 |# x失效保護(hù)$ H2 N t6 F7 e- `
失效保護(hù)是確保 RS-485 接收器在信號(hào)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(jì)要素。
! X# @2 h3 e _# p6.1、信號(hào)丟失的原因
( X# C+ }- \: o; {信號(hào)丟失(Loss of Signal, LOS)可能由以下三種情況引起:
# t+ y, K7 Q6 ^3 L- s6 F開路:線纜中斷或收發(fā)器從總線斷開。這種情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完全消失。短路:差分對(duì)的兩根導(dǎo)線因絕緣層失效而接觸在一起,導(dǎo)致信號(hào)無法正常傳輸。總線空閑:當(dāng)所有總線驅(qū)動(dòng)器均未處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí),總線變?yōu)榭臻e狀態(tài),沒有信號(hào)輸出。# O# S9 b' l2 \/ P2 l8 Y% ]; w
. v) I2 A- a" m- N! X: X; P在上述情況下,如果接收器缺少輸入信號(hào),傳統(tǒng)的接收器可能會(huì)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(duì)這些失效情況。
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8 b) Y, d" \" f8 t% F, D6.2、失效保護(hù)機(jī)制
2 j3 V! E# W" _( b2 X為解決信號(hào)丟失的問題,現(xiàn)代接收器設(shè)計(jì)包含以下失效保護(hù)機(jī)制:
" i; t- v+ L5 `" r c9 a內(nèi)部偏置電路:這些電路可以在信號(hào)丟失時(shí)生成一個(gè)確定的輸出狀態(tài)。內(nèi)部偏置電路會(huì)對(duì)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(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),即使輸入信號(hào)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。( D+ _# [. y9 e, }
& {- a; y0 s* a2 \
$ y* u. _! g( ~1 |1 k6.3、外部失效保護(hù)電路設(shè)計(jì)9 _, v1 t- f; k# D+ e. n
為了提高噪聲容限,需要設(shè)計(jì)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)。4 r! O5 e! A2 z( y z5 O
' @5 x6 W! U( [$ [4 c5 [: ~
具體設(shè)計(jì)步驟如下:1 @4 i2 T: r, p5 h2 u/ @- e
計(jì)算總線電壓:外部電阻分壓器的設(shè)計(jì)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(jì)公式為:. f% c' U( F' c) y4 E$ F
r- G* ]1 y: \: Q6 d" o7 Y
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6 w1 w' ^ P, Q6 @; z其中:
3 R4 q9 T- t& X4 n8 H s: ~) YVAB = 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(cè)得的最大差分噪聲# G g+ w8 k& X3 F
% t! }$ V$ B% U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(jì)算出外部電阻RB 的值。根據(jù)公式計(jì)算得到:
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% o3 O: f. h: B8 q, i" R9 ~( W: h# V( l) X$ U. f' U" T- ^! C
在實(shí)際應(yīng)用中,可以選擇兩個(gè) 523Ω 的電阻器串聯(lián),以實(shí)現(xiàn)所需的電阻值。這個(gè)配置可以如下圖所示建立失效保護(hù)電路。 . u; ]/ ?8 E3 ]4 T, R* e
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$ m. \' b- ]7 o6 I
& o% Z2 {5 ^; `: _" e. p1 z% R0 e使用兩個(gè) 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(jì)可以確保即使在信號(hào)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。 6 H9 T: q# h7 `4 Y" a3 @5 y
7; L' _6 u9 h, o- t0 h
總線負(fù)載
. Y: X4 b+ [6 P% e驅(qū)動(dòng)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(huì)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(gè)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(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá) 32 個(gè)單位負(fù)載。8 J7 n1 D% U" d$ x1 l
3 a8 H4 A$ j) x2 [& y
在實(shí)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(jì)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(jì),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(jì)可以使總線支持多達(dá) 256 個(gè)收發(fā)器連接。
" t A) h* I# `7 o- v6 G
+ M* r" H q, P) Q/ O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(huì)對(duì)總線負(fù)載產(chǎn)生影響,尤其是在需要確保系統(tǒng)在信號(hào)丟失情況下仍能輸出確定狀態(tài)時(shí)。這種失效保護(hù)偏置可能貢獻(xiàn)多達(dá) 20 個(gè)單位的總線負(fù)載,因此計(jì)算總線最大負(fù)載時(shí),必須將這一因素考慮在內(nèi)。/ l6 d% i; R' h
% K. X% K8 _; _* @ h+ T
為了計(jì)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:: S+ E' I: ~2 M
! \9 J9 w2 C) W/ K, }
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! Y" n+ i- T! E0 ?& i/ Z" {2 b
; u) x$ b2 V% f% k) B舉例來說,當(dāng)使用 1/8-UL 的收發(fā)器時(shí),最大連接數(shù) N 計(jì)算如下:; F: M0 l6 B+ \- q/ K: A' P* q! v* w
) x; J S" E3 C1 u" n( D
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$ S* ]9 D! ^3 ]! G" H6 x+ ~; H. U
% b8 ]- P: B7 b5 e" ]因此,若在 RS-485 總線上使用 1/8 UL 的收發(fā)器設(shè)計(jì),最多可將 96 個(gè)器件連接到總線中。這一計(jì)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(huì)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。 " r% Z( E7 ^3 m9 ^' v
8 g7 C" C. x* v2 y在實(shí)際工程設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)應(yīng)考慮到可能的環(huán)境干擾、信號(hào)衰減以及其他系統(tǒng)因素。建議在接近理論最大值時(shí),保留一定的裕量,以便應(yīng)對(duì)不確定因素帶來的潛在影響。
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數(shù)據(jù)速率與總線長(zhǎng)度- G; L6 @$ t9 \% F
在確定 RS-485 總線的最大傳輸長(zhǎng)度時(shí),數(shù)據(jù)速率、傳輸線損耗和信號(hào)抖動(dòng)都是關(guān)鍵因素。在特定數(shù)據(jù)速率下,信號(hào)抖動(dòng)超過波特周期的 10% 時(shí),數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴?huì)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(hào)抖動(dòng)情況下,不同電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。
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; H# g5 |3 G' j" {( n2 `
7 U8 `' P0 @2 S3 S8 S5 N5 D# r
& M; w2 g9 M; X9 f, x4 VA. 短電纜長(zhǎng)度與高數(shù)據(jù)速率區(qū)域1 T- u0 }% Y, [) O! f
圖形的第 1 部分展示了短電纜長(zhǎng)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(jì),數(shù)據(jù)速率的限制主要取決于驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)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(shí),電纜長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)速率的影響最小。7 S6 f8 T3 P6 G1 H* s
9 O( L9 K; C6 l! f- \ H. [9 @+ A
5 `. x# q" M, H& |6 \/ G
B. 從短電纜到長(zhǎng)電纜的過渡區(qū)域
s5 H5 q) |) P3 k0 O第 2 部分展示了數(shù)據(jù)線路從短到長(zhǎng)的過渡區(qū)域。在這個(gè)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(zhǎng)度的增加而降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,電纜長(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)不超過 10公里。然而,這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則較為保守,實(shí)際應(yīng)用中使用的電纜性能可能允許更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度,但仍需注意信號(hào)完整性和可靠性。
4 |$ j" _) D7 S- Q! a/ p. g( @- u
\3 z9 g& r/ ^) @7 RC. 低頻率下的信號(hào)衰減與電纜長(zhǎng)度
( E2 R$ a( @8 g, D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(hào)衰減主要由線路電阻決定,而非開關(guān)速度。隨著電纜長(zhǎng)度的增加,電纜的電阻接近于終端電阻的值,形成了一個(gè)電壓分壓器結(jié)構(gòu),導(dǎo)致信號(hào)衰減大約為 -6dB。對(duì)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(zhǎng)度達(dá)到約 1200米時(shí)。
; Z& p/ x- k( N8 ]) E9
, `; \, w. _. ^* s最小節(jié)點(diǎn)間距
" i: A% U. n) m; L2 A' F' ZRS-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(jì) RS-485 網(wǎng)絡(luò)時(shí),必須特別注意總線的電氣負(fù)載和阻抗匹配,以確保信號(hào)完整性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
/ i0 _6 f: ]( d當(dāng)在 RS-485 總線中添加器件或互連電路時(shí),會(huì)引入附加的電容,這些電容會(huì)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(hào)在這些不匹配點(diǎn)處反射回源端。這種反射可能會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的失真,從而影響接收器接收到的信號(hào)質(zhì)量。& U7 |* D7 M. P9 F6 y# I
; t! E W# p9 H! }+ v
為了確保從驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)在到達(dá)接收器時(shí)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(diǎn)之間保持最小距離 d 來實(shí)現(xiàn)。該最小距離 d 可以由以下公式計(jì)算:
$ ?) f5 Y6 T ^; E( f: e5 M1 W
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- e' `4 d3 o! r9 d% m: q8 Y! j2 k( l3 e; q
其中:6 d$ ~3 [. }. D2 U# D8 q3 z* z( d
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(zhǎng)度的介質(zhì)電容(如電纜或 PCB 軌線的分布電容)。8 [/ |* z" Q9 N; c6 `2 j ]: V
7 L( d- s- b% p! @( G/ ]
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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6 e, V w6 [7 |% V) b: x; x* d1 q6 J1 Q: V2 v
影響總線電容的主要因素如下:+ V7 `& W1 r' s- M
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(jì)和結(jié)構(gòu),PCB 軌線每厘米通常會(huì)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(diǎn)、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(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)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。& p" h5 I2 W( J
9 H+ v0 o+ a2 w為了確保 RS-485 總線的穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn):2 M) H, D' G. t& o4 P6 m: U6 |
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(hào)反射的機(jī)會(huì)。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(zhǎng)距離傳輸或高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中。優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì):在 PCB 設(shè)計(jì)中,盡量縮短信號(hào)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(shí),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(duì)總線電容的貢獻(xiàn)盡可能小。
5 u' ~1 ?' X4 q( z! Y# ]
" V9 x! L4 A4 [2 S通過對(duì)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(hào)反射問題,從而提高 RS-485 總線系統(tǒng)的信號(hào)完整性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。; {3 W# `$ T" j( c6 t" g& h
10
# B! X' ~; J/ s2 n接地和隔離1 N7 a$ x, p5 p i
在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí),設(shè)計(jì)人員必須考慮接地電勢(shì)差(GPD)可能帶來的問題。這些電壓差異會(huì)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(hào)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(xiǎn)的(如下圖a 所示)。由于遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)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(shì)差可能超出接收器的輸入共模范圍,導(dǎo)致原本正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障。% d5 s, e: ?5 z, a8 {
+ \3 B5 P1 D! ~: h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?yàn)檫@可能引發(fā)大電流環(huán)路,進(jìn)而將共模噪聲引入信號(hào)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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$ w2 T7 b3 m3 ^% j; S$ P
3 }: x$ s1 b# h" G9 b* O要建立一個(gè)能夠容忍數(shù)千伏接地電勢(shì)差且適用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)膹?qiáng)健 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路,最有效的方法是對(duì)信號(hào)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(hào)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(dòng),避免形成環(huán)路電流。/ t% L9 C( |3 F. j! p0 A2 n
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下圖則展示了多個(gè)隔離收發(fā)器的示例配置。在這其中,除一個(gè)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(gè)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(shí),確保了數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。
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; ^" ]! }, s$ B3 j
+ Y# ]3 Y3 _$ G9 X, I3 Q資源參考來源:TI RS-485 設(shè)計(jì)指南。1 Y0 ~" P$ K3 i: P+ t& h
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