工業(yè)接口RS-485的設(shè)計(jì)應(yīng)用指南

作為上世紀(jì)80年代早期批準(zhǔn)的一個(gè)平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，RS-485似乎已成為工業(yè)界永不過(guò)時(shí)的接口標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于它的文獻(xiàn)有很多，但對(duì)于很少接觸接口設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程師而言，如此海量的文獻(xiàn)就有些讓人吃不消了。

本文旨在討論RS-485標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，為初接觸它的設(shè)計(jì)師提供入門指南。研究文末參考的一些附加應(yīng)用筆記可進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)師在最短的時(shí)間內(nèi)完成一套可靠的數(shù)傳設(shè)計(jì)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)的用途

RS-485只定義了用于平衡多點(diǎn)傳輸線的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性，因此很多更高層標(biāo)準(zhǔn)都將其作為物理層引用。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/b>

總線節(jié)點(diǎn)以菊花鏈或總線拓?fù)浞绞铰?lián)網(wǎng)。(見圖1)也就是說(shuō)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)很短的線頭連接到主線纜。該接口總線通常設(shè)計(jì)為用于半雙工傳輸，也就是說(shuō)它只用一對(duì)信號(hào)線，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)只能在不同時(shí)刻出現(xiàn)在信號(hào)線上。

圖1：RS-485總線結(jié)構(gòu)(左)與半雙工總線結(jié)構(gòu)(右)。

這就需要通過(guò)方向控制信號(hào)(例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào))控制節(jié)點(diǎn)操作的協(xié)議，以確保任何時(shí)刻總線上都只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器在活動(dòng)，而必須避免多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)訪問(wèn)總線導(dǎo)致總線競(jìng)爭(zhēng)。

信號(hào)電平

RS-485驅(qū)動(dòng)器必需在54的負(fù)載上提供最小1.5V的差分輸出，而RS-485接收器則必需能檢測(cè)到最小為200mv的差分輸入(見圖2)。這兩個(gè)值為可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了足夠的裕度，即便信號(hào)經(jīng)過(guò)線纜和連接器發(fā)生嚴(yán)重衰減時(shí)亦如此。而穩(wěn)健性正是RS-485適用于噪聲環(huán)境的長(zhǎng)距離聯(lián)網(wǎng)的主要原因。

圖2：RS-485規(guī)定的最小總線信號(hào)電平。

線纜類型

在雙絞線上傳送差分信號(hào)為RS-485應(yīng)用帶來(lái)了很大好處。這是因?yàn)橥獠吭肼曉串a(chǎn)生的噪聲總是等量耦合進(jìn)兩根信號(hào)線中，屬于共模噪聲，而這能在差分接收器的輸入處就被抑制掉。

工業(yè)用RS-485線纜是特性阻抗為120和22AWG的塑封非屏蔽雙絞線。圖3所示為一對(duì)用于半雙工網(wǎng)絡(luò)的UTP線纜的橫截面。

圖3：RS-485通信線纜示例。

為了保持網(wǎng)絡(luò)的電特性，除了網(wǎng)絡(luò)線纜的連接之外，印制電路板的布線和RS-485設(shè)備連接器上的管腳分配需保持兩根信號(hào)線之間的距離均等且足夠靠近。

總線端接與線頭長(zhǎng)度

數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)進(jìn)行端接，而且線頭應(yīng)盡可能短，以避免傳輸線上發(fā)生信號(hào)反射。良好的端接要求終端電阻R_T與傳輸線線纜的特征阻抗Z0匹配。RS-485建議采用Z0為120的線纜，因此通常每根線纜末端都采用120的電阻進(jìn)行端接。

圖4：利用共模噪聲濾波器對(duì)RS-485進(jìn)行端接。

噪聲環(huán)境下的應(yīng)用往往用兩個(gè)RC低通濾波器替代這些120的電阻，以增強(qiáng)對(duì)共模噪聲的濾波(見圖4)。值得注意的是，兩個(gè)濾波器的電阻值應(yīng)相等(最好采用精密電阻)以確保兩個(gè)濾波器具有相同的滾降頻率。電阻容差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致濾波器轉(zhuǎn)角頻率出現(xiàn)偏差，而導(dǎo)致共模噪聲轉(zhuǎn)換為差模噪聲，使接收器的抗噪性能降低。

線頭的電長(zhǎng)度(即收發(fā)器與線纜干線之間的距離)應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)上升時(shí)間的1/10。表1列出了圖4中不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的最大線纜線頭長(zhǎng)度。

表1：不同信號(hào)上升時(shí)間下的線頭長(zhǎng)度和未端接線纜長(zhǎng)度。

故障保險(xiǎn)

故障保險(xiǎn)(failsafe)是指接收器可以在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)保證一個(gè)確定的輸出狀態(tài)?？赡軐?dǎo)致信號(hào)丟失的原因有三種：1)電路開路：由電線斷線或收發(fā)器從總線上斷開導(dǎo)致；2)電路短路：絕緣失效導(dǎo)致傳輸差分對(duì)信號(hào)的兩根線互相短路；3)總線空閑：總線上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器工作。

由于以上幾種條件可能導(dǎo)致傳統(tǒng)的接收器在輸入信號(hào)為零時(shí)輸出隨機(jī)的狀態(tài)，因此現(xiàn)代收發(fā)器設(shè)計(jì)中均為開路、短路和總線空閑狀態(tài)下的故障保險(xiǎn)設(shè)計(jì)了專門的偏置電路。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，該電路會(huì)使接收器的輸出保持在一個(gè)確定的狀態(tài)。

盡管這些帶故障保險(xiǎn)的收發(fā)器宣稱能減少元器件個(gè)數(shù)，但它們10mV的最壞情況噪聲裕度使外部故障保險(xiǎn)電路的設(shè)計(jì)成為必要。

外部故障保險(xiǎn)電路包含一個(gè)電阻分壓器，用以產(chǎn)生足夠的差分總線電壓，將接收器的輸出驅(qū)動(dòng)至一個(gè)確定的狀態(tài)。為確保電路具備足夠的噪聲裕度，V_AB在200mV接收器輸入閾值之外還必需能涵蓋最大差分噪聲。按下式計(jì)算故障保險(xiǎn)偏置電阻R_B在最壞情況條件下(即最低電壓，最大噪聲條件下)的阻值：

其中V_AB=200mV + V_Noise。在最小總線電壓為4.75V，V_AB=0.25V并且Z_o=120時(shí)，R_B的計(jì)算結(jié)果為528。在R_T上串聯(lián)兩個(gè)523的電阻(見圖5左)，就在總線一端建立起一個(gè)故障保險(xiǎn)電路。

圖5：總線空閑的外部故障保險(xiǎn)偏置。

由于驅(qū)動(dòng)器依靠電流輸出，因此必需為輸出電流提供一個(gè)負(fù)載。為總線增加收發(fā)器和故障保險(xiǎn)電路同時(shí)也增大了所需的總負(fù)載電流。為了估計(jì)總線允許的最大負(fù)載個(gè)數(shù)，RS-485定義了一個(gè)假想的單位負(fù)載(UL)，一個(gè)UL代表的負(fù)載阻抗約為12k。符合標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器必需能驅(qū)動(dòng)32個(gè)這樣的單位負(fù)載。如今的收發(fā)器往往采用的是減小了的單位負(fù)載，例如1/8UL，因此總線上允許連接的收發(fā)器個(gè)數(shù)多達(dá)256個(gè)。

由于故障保險(xiǎn)偏置電路就占據(jù)了總線負(fù)載中多達(dá)20UL，因此總線上允許的最大接收機(jī)個(gè)數(shù)就減少了。因此，當(dāng)采用1/8的收發(fā)器時(shí)，總線上最多能連接96個(gè)設(shè)備。即。

數(shù)據(jù)率與總線長(zhǎng)度的關(guān)系

最大總線長(zhǎng)度受傳輸線損耗與某個(gè)數(shù)據(jù)率下的信號(hào)抖動(dòng)限制。在抖動(dòng)達(dá)到波特周期的10%或以上時(shí)，數(shù)據(jù)可靠性會(huì)急劇下降。圖6給出了傳統(tǒng)RS-485驅(qū)動(dòng)器在10%信號(hào)抖動(dòng)下，不同數(shù)據(jù)率特性對(duì)應(yīng)的線纜長(zhǎng)度。

圖6：不同數(shù)據(jù)率下的線纜長(zhǎng)度。

在圖6中，第一部分代表了線長(zhǎng)受主要非抗性(即阻性)線纜損耗限制的數(shù)據(jù)率范圍。第2部分中，線纜的電抗性損耗隨頻率增加，因此頻率增加后允許的線纜長(zhǎng)度就減小了。經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則告訴我們線長(zhǎng)(單位為英寸)乘以數(shù)據(jù)率(單位為bps)應(yīng)小于3107。當(dāng)線長(zhǎng)較短時(shí)，線纜損耗可以忽略，這時(shí)，限制最大可能數(shù)據(jù)率的只有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升時(shí)間(第3部分)。

最小節(jié)點(diǎn)間距

以增多器件與器件間互連的方式增大總線容抗會(huì)降低總線阻抗，并導(dǎo)致總線的傳輸媒介與負(fù)載部分的阻抗失配。輸入信號(hào)到達(dá)這些失配點(diǎn)時(shí)會(huì)有一部分被反射回信號(hào)來(lái)源處，從而使驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)失真。

要確?？偩€上任何一處輸出驅(qū)動(dòng)器送出的信號(hào)在第一次信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，到達(dá)接收器時(shí)均達(dá)到有效輸入電平，就要求總線節(jié)點(diǎn)之間只相隔最小間距，約可按下式計(jì)算：

其中C_L為集總負(fù)載電容，C為傳輸媒介(線纜或PCB走線)單位長(zhǎng)度的電容。上式給出的是最小器件間距與分布媒介和集總負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系，圖7將這種關(guān)系圖形化了。

圖7：最小節(jié)點(diǎn)間距與器件和傳輸媒介容抗的關(guān)系。

負(fù)載電容包括線路總線管腳的電容、連接器的接觸電容、印制電路板的走線電容、保護(hù)器件的電容，當(dāng)總線至收發(fā)器(收發(fā)器的線頭)之間的電距離較短時(shí)還包括任何其他與干線相連的物理連接帶來(lái)的電容。

接地與隔離

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接通常存在很大的地電位差(GDP)，該電位差到了發(fā)送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過(guò)大，就可能超過(guò)接收器的輸入共模噪聲容限，從而對(duì)器件造成損壞。因此，不建議依靠本地接地作為電流回流的可靠路徑(見圖8a)。也不建議直接用地線連接遠(yuǎn)程地，(見圖8b)因?yàn)檫@可能會(huì)引發(fā)很大的地回路電流，耦合到數(shù)據(jù)線之中成為共模噪聲。像RS-485建議的那樣通過(guò)在接地通路上插入電阻來(lái)減小回路電流也只解決了一半問(wèn)題。一個(gè)大接地回路的存在就使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)回路中其他地方產(chǎn)生的噪聲非常敏感。因此，通過(guò)這種方式仍無(wú)法建立一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路(見圖8c)。

圖8：需要注意的設(shè)計(jì)缺陷：a) GPD過(guò)高； b) 回路電流過(guò)大； c)減小回路電流，但過(guò)大的接地環(huán)路仍會(huì)導(dǎo)致電路對(duì)感應(yīng)噪聲高度敏感。

建立可靠的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)鏈路的最可靠的方法是通過(guò)絕緣隔離。采用該方法時(shí)，總線收發(fā)器的信號(hào)線和電源線與本地信號(hào)與電源是相互隔離的。

電源隔離器，例如隔離型DC/DC變換器、和數(shù)字容性隔離器等信號(hào)隔離器均能阻止電流在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的接地之間流通，從而避免創(chuàng)造這樣的電流回路。

圖9給出的是多個(gè)隔離型收發(fā)器的詳細(xì)連接。所有收發(fā)器中除了一個(gè)以外其他均通過(guò)隔離連接到總線，圖中唯一一個(gè)未隔離的收發(fā)器為整個(gè)總線提供單一地參考。

圖9：多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線收發(fā)器位置與單一地參考的隔離。

本文小結(jié)

雖不能說(shuō)是非常完整，但本文的目標(biāo)是涵蓋RS-485系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有主要問(wèn)題。盡管關(guān)于這一主題有大量的技術(shù)文獻(xiàn)，但本文旨在為新接觸RS-485的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們提供一個(gè)詳盡的設(shè)計(jì)指南。