RS-485總線的理論與實踐

從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會出現(xiàn)信號反射現(xiàn)象。但是，在實現(xiàn)應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(huán)境有關，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會存在。

引起信號反射的另個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時，整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)混亂。

信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。

在信號分析，衡量反射信號強度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計算公式如式（1）。

RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）

式中：Vref—反射信號的電壓大??；Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。

具體的測量方法如圖3所示。例如，由實驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時，它的反射衰減因子為：

RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細介紹。

2、在通訊電纜中的信號衰減

第二個影響信號傳輸?shù)囊蛩厥切盘栐陔娎|的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖4所示

電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導線產(chǎn)生。導線的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標準型二芯電感（西門子為DP總線選用的標準電纜），在不同波特率時的衰減系數(shù)如表1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 電纜的衰減系數(shù)

　　　　　　　　　　　　通訊波特率 　　　　　　16MHz 　　4MHz 　　38.4kHz　　9.6kHz
　　　　　　　　　　　　衰減體系數(shù)（1km) 　　　≤42dB 　≤22dB 　　≤4dB 　　≤2.5dB

3、在通訊電纜中的純阻負載

影響通訊性能的第三個因素是純阻性負載（也叫直流負載）的大小。這里指的純阻性負載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構成。

在敘述EIA RS-485規(guī)范時曾提到過RS-485驅動器在帶了32個節(jié)點，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個接收器的輸入電阻為12kΩ，整個網(wǎng)絡的等效電路如圖5所示。按這樣計算，RS-485驅動器的負載能力為：

RL=32個輸入電阻并聯(lián)||2個終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω

現(xiàn)在比較常用的RS-485驅動器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅動器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅動能力和負載的關系計算，一個驅動器可帶節(jié)點的最大數(shù)量將遠遠大于32個。

在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖6。它的作用是在線路進入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖7。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會由于這些信號的到來而產(chǎn)生誤動作。

通過下面后例子了，可以計算出偏置電阻的大?。?BR>
終端電阻Rt1=Rr2=120Ω；

假設反射信號最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號引起的反射電流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一般RS-485收發(fā)器（包括SN75176）的滯后電壓值（hysteresis value）為50mV，即：

（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV

于是可以計算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流Ibias≥3.33mA

+5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）) （2）

通過式2可以計算出R上拉=R下拉=720Ω

在實際應用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：

（1）把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個收發(fā)器都加了一個偏置電壓。

（2）在一段總線上只用一對偏置電阻。這種方法對總線上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負載。

三、RS-485總線的負載能力和通訊電纜長度之間的關系

在設計RS-485總線組成的網(wǎng)絡配置（總線長度和帶負載個數(shù)）時，應該考慮到三個參數(shù)：純阻性負載、信號衰減和噪聲容限。純阻性負載、信號衰減這兩個參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限（Noise Margin）。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應該大于200mV。前面的論述者是在假設噪聲容限為0的情況下進行的。在實際應用中，為了提高總線的抗干擾能力，總希望系統(tǒng)的噪聲容限比EIA RS-485標準中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負載的多少和通訊電纜長度之間的關系：

Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias) (3)

其中：Vend為總線末端的信號電壓，在標準測定時規(guī)定為0.2V；Vdriver為驅動器的輸出電壓（與負載數(shù)有關。負載數(shù)在5～35個之間，Vdriver=2.4V；當負載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V；當負載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V）；Vloss為信號在總線中的傳輸過程中的損耗（與通訊電纜的規(guī)格和長度有關），由表1提供的標準電纜的衰減系數(shù)，根據(jù)公式衰減系數(shù)b=20lg(Vout/Vin)可以計算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長度1km，如果特率增加，Vloss會相應增大)；Vnoise為噪聲容限，在標準測定時規(guī)定為0.1V；Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓（典型值為0.4V）。

式（3）中乘以0.8是為了使通信電纜不進入滿載狀態(tài)。從式（3）可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長度成反比，其他幾個參數(shù)只和用的驅動器類型有關。因此，在選定了驅動器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負載數(shù)的多少，與信號能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關的。具體關系是：在總線允許的范圍內(nèi)，帶負載數(shù)越多，信號能傳輸?shù)木嚯x就越?。粠ж撦d數(shù)據(jù)少，信號能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠。

四、分布電容對RS-485總線傳輸性能的影響

電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導線產(chǎn)生。另外，導線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時也不能忽視。分布電容對總線傳輸性能的影響，主要是因為總線上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘枺盘柕谋磉_方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號“0”使得分布電容有足夠的充電時間，而信號“1”到來時，由于分布電容中的電荷，來不及放電，(Vin+)—(Vin-)-還大于200mV，結果使接愛誤認為是“0”，而最終導致CRC校驗錯誤，整個數(shù)據(jù)幀傳輸錯誤。具體過程如圖8所示。

由于總線上分布影響，導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，從而使整個網(wǎng)絡性能降低。解決這個問題有兩種方法：

（1）降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?BR>
（2）使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質量。