提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施

建議性標(biāo)準(zhǔn)RS-485作為一種多點、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。正因為此，許多不同領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如汽車電子、電信設(shè)備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制、儀器儀表等等。這項標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛接受的另外一個原因是它的通用性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

盡管RS-485標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受，但是對于它在實際應(yīng)用中的一些具體問題并沒有得到深入廣泛的認(rèn)識，甚至存在著種種誤區(qū)，以至于影響到整個系統(tǒng)的性能。本文在回顧RS-485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，重點討論幾個實際應(yīng)用中常被忽視的問題。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)回顧

RS-485標(biāo)準(zhǔn)最初由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983年制訂并發(fā)布，后由TIA-通訊工業(yè)協(xié)會修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過工程師還是習(xí)慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來，后者是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kbps時），并允許在一條平衡線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，為擴展應(yīng)用范圍，隨后又為其增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，這就是后來的EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS-485接口的主要特點如下：

平衡偉輸；

多點通信；

驅(qū)動器輸出電壓（帶載）：≥｜1.5V｜；

接收器輸入門限：±200mV；

-7V至+12V總線共模范圍；

最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；

最大總線負(fù)載：32個單位負(fù)載（UL）；

最大傳輸速率：10Mbps；

最大電纜長度：4000英尺。

網(wǎng)絡(luò)配置

圖1:幾種錯誤的網(wǎng)絡(luò)連接方式及正確的方式

RS-485支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖1所示為實際應(yīng)用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e三種不恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)連接盡管在某些情況下（短距離、低速率）仍然可以正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴(yán)重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，造成信號質(zhì)量下降。除此之外還應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點也會發(fā)生信號的反射。例如，總線的不同區(qū)段采用不同電纜、某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝、或者是有過長分支線引出總線時都會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點。總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。

有關(guān)總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒有做出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個單位負(fù)載（UL）。每單位負(fù)載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當(dāng)于約12kΩ。為了擴展總線節(jié)點數(shù)，器件生產(chǎn)廠商增大收發(fā)器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節(jié)點數(shù)就可增加至128個，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節(jié)點數(shù)可到256個。

總線匹配

是否對RS-485總線進行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個數(shù)據(jù)位的中點采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗性的準(zhǔn)則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配：當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。

圖2：幾種終端匹配方案

當(dāng)考慮終端匹配時，有多種匹配方案可以選擇。最簡單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻（圖2a）。大多數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配（圖2b）。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折衷。除上述兩種外，還有一種采用二極管的匹配方案（圖2c）。這種方案雖未實現(xiàn)真正的匹配，但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號，達(dá)到改善信號質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。