- RS-485標(biāo)準(zhǔn)簡介
- RS-485網(wǎng)絡(luò)配置
- RS-485總線匹配
- RS-485失效保護
- 引出線的連接
- 地線與接地
- 低頻率的共模干擾保護
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
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?？傊?，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。
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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。
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，達到改善信號質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。
引出線
RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線，引出線過長時，由于信號在引出線中的反射，也會影響總線上的信號質(zhì)量。和前面的討論一樣，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)。下面的經(jīng)驗公式可以用來估算引出線的最大長度：
Lmax=（tRISE×0.2m/ns）/10
以MAX483為例，對應(yīng)于250ns的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為5米。
從以上的分析可以看出，減緩信號的前后沿斜率有利于降低對于總線匹配、引出線長度的要求，改善信號質(zhì)量，同時，還使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射，因此，有些器件生產(chǎn)廠商在RS-485接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。由此看來，在選擇接口器件時，并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇最低速率的器件。
失效保護
RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時也帶來了一個問題：當(dāng)總線電壓在±200mV中間時接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個前導(dǎo)"0"觸發(fā)一次接收動作，所以接收器的不定態(tài)可能會使UART錯誤地接收一些數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作。當(dāng)總線空閑、開路或短路時都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于200mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不定態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時的問題，為此，有些器件制造商將接收門限移到-200mV/-50mV，巧妙地解決了這個問題。例如Maxim公司為MAX3080系列RS-485接口，不但省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護問題。
地線與接地
電子系統(tǒng)的接地是一個非常關(guān)鍵而又常常被忽視的問題，接地處理不當(dāng)經(jīng)常會導(dǎo)致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于RS-485網(wǎng)絡(luò)來講也是一樣，沒有一個合理的接地系統(tǒng)可能會使系統(tǒng)的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，對于接地的要求更為嚴(yán)格。有關(guān)RS-485網(wǎng)絡(luò)的接地問題很少有資料提及，在設(shè)計者中也存在著很多誤區(qū)，致使通信可靠性降低、接口損壞率較高。一個典型的錯誤觀點就是認(rèn)為RS-485通信鏈路不需要信號地，而只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的"A"、"B"端連接起來。這種處理方法在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患，主要有以下兩方面的問題：
圖3:地電位差導(dǎo)致的共模干擾問題
• 共模干擾問題。的確，RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是，收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V至+12V）的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電壓超出此范圍就會影響通信的可靠，直至損壞接口。如圖3所示，當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口。
• 電磁輻射（EMI）問題。驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如果沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。
因此，盡管是差分傳輸，對于RS-485網(wǎng)絡(luò)來講，一條低阻的信號地還是必不可少的。如圖4a所示，一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一對線（非屏蔽雙絞線）、或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認(rèn)為，可以采取以下三種措施：
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圖4:地線與接地方案
1. 若干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以考慮在接地線上加限流電阻限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信（圖4b）；
2. 采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場儀表）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流（圖4c）；
3. 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其他方面的考慮，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應(yīng)該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。
瞬態(tài)保護
前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。因為引線電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來講，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時間很短。在切換大功率感性負(fù)載（電機、變壓器、繼電器等）、閃電等過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護就會損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。
圖5a所示為隔離保護方案。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可以到2500V。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。
圖5b所示為旁路保護方案。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。
實際應(yīng)用中可以將二者結(jié)合起來靈活運用（圖5c）。隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，而旁路元件保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個極為堅固和可靠的通信鏈路，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但一個真正可靠的RS-485網(wǎng)絡(luò)還有賴于合理的應(yīng)用。合理的網(wǎng)絡(luò)布局、信號通道的連續(xù)性、周全的保護措施等，在設(shè)計之初就應(yīng)該有一個總體規(guī)劃。
