RS-485的關(guān)鍵技術(shù)特征及應(yīng)用

1. RS-485的關(guān)鍵技術(shù)特征

長(zhǎng)距離鏈路——最長(zhǎng)4000英尺，1 英尺=0.3048 米，1200m ；

可在一對(duì)絞線電纜上雙向通信；

差分傳輸增加了噪聲抗擾度，減少了噪聲輻射；

可將多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器連接至同一總線；

寬共模范圍允許驅(qū)動(dòng)器與接收器之間存在地電位差異；

TIA/EIA-485-A允許最高10 Mbps的數(shù)據(jù)速率，但滿足TIA/EIA-485-A技術(shù)規(guī)范的器件不必在整個(gè)范圍內(nèi)工作并且不限于10 Mbps；

2. 應(yīng)用場(chǎng)合

過程控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程終端、樓宇自動(dòng)化（例如，暖通空調(diào)（HVAC））、保安系統(tǒng)、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制等。

3. 標(biāo)準(zhǔn)

TIA/EIA-485-A：是電信業(yè)使用最廣泛的傳輸線路標(biāo)準(zhǔn)，描述了RS-485接口的物理層，通常與Profibus、Interbus、Modbus、BACnet等更高層協(xié)議配套使用，能夠在相對(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

TIA/EIA-422-B：RS-422物理層在TIA/EIA-422-B中予以說明。TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)與TIA/EIA-422-B標(biāo)準(zhǔn)類似，TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的驅(qū)動(dòng)器和接收器值同時(shí)滿足這兩種標(biāo)準(zhǔn)。

4. 使用差分信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

VIA - VIB > 200mV，則接收器輸出為邏輯高電平（RO = 1）。VIA - VIB < -200mV即VIB - VIA > 200mV，則接收器輸出為邏輯低電平（RO = 0）。

接收端以A、B信號(hào)的差值（200mV）作為電平判斷依據(jù)，提高了抗共模干擾的能力。

輸出端A、B信號(hào)電平可高于或低于接收端A、B信號(hào)電平，則傳輸線纜上的電壓降不影響電平判斷（但線纜太長(zhǎng)，則信號(hào)的噪聲容限會(huì)變小）。

A、B信號(hào)線上的電流方向總是相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，降低了EMI。

共模電壓(VCM)定義：VCM = (VIA + VIB)/2

5. RS-422與RS-485的共同點(diǎn)及差異

共同點(diǎn)：允許最高10 Mbps的數(shù)據(jù)速率，線路長(zhǎng)度最長(zhǎng)4000 英尺。

差異點(diǎn)：

5.1 總線架構(gòu)差異

RS-422是單工多分支標(biāo)準(zhǔn)，只能將1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和最多10個(gè)接收器連接到同一總線，如下圖。

圖：典型RS-422接口電路

RS-485規(guī)定為多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，可在同一總線上連接最多32個(gè)收發(fā)器，如下圖。

半雙工：RS-485收發(fā)器必須具有驅(qū)動(dòng)器/接收器使能引腳,一次僅使能一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖：半雙工RS-485總線配置

全雙工：RS-485允許主從節(jié)點(diǎn)之間雙向同時(shí)通信。

圖：全雙工RS-485總線配置

5.2 共模電壓范圍差異

RS-422接收器可承受±7 V的共模電壓（VCM），而RS-485的共模電壓范圍擴(kuò)展為-7 V至+12 V。

5.3 接收器的輸入阻抗差異

RS-422接收器的輸入阻抗必須大于或等于4 kΩ。

RS-485接收器額定的輸入阻抗為大于或等于12 kΩ。此阻抗被定義為具有1個(gè)單位負(fù)載(UL)。RS-485技術(shù)規(guī)范規(guī)定的最高承受能力為32 UL。部分RS-485接收器額定具有? UL或? UL。

5.4 RS-485收發(fā)器帶使能腳

DE引腳設(shè)置為低電平(DE = 0),可將驅(qū)動(dòng)器置于高阻態(tài)。將驅(qū)動(dòng)器從總線有效斷開。使RS-485總線支持多驅(qū)動(dòng)器組網(wǎng)。同理，RE引腳，用于使能/禁用接收器（高阻態(tài)），能降低驅(qū)動(dòng)功耗。

6. 終端電阻

6.1 差分傳輸線

一條傳輸線路中存在兩條線，一條將電流從驅(qū)動(dòng)器載至接收器,另一條提供回到驅(qū)動(dòng)器的返回路徑。要實(shí)現(xiàn)可靠的RS-485和RS-422通信，必須盡可能減少傳輸線路中的反射，這就必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娎|端接。

6.2 反射與線纜長(zhǎng)度

信號(hào)轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會(huì)立即發(fā)生反射。在較長(zhǎng)的線路上，反射更有可能持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，足以引起接收器誤讀邏輯電平。在較短的線路上，反射持續(xù)時(shí)間短得多，因此對(duì)接收的邏輯電平?jīng)]有影響。這就解釋了實(shí)際485組網(wǎng)測(cè)試時(shí)，用較短的線纜就不需要撥終端電阻，而用較長(zhǎng)的線纜則需要撥終端電阻。

6.3 終端電阻位置

在RS-422應(yīng)用中，總線上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，如果要使用端接，必須將端接置于最遠(yuǎn)端的一個(gè)接收器的電纜末端。根據(jù)RS-485應(yīng)用的要求，端接應(yīng)位于主節(jié)點(diǎn)以及距離主節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的從節(jié)點(diǎn)。

6.4 端接方式

無端接

尺寸較長(zhǎng)的線,傳播時(shí)間也較長(zhǎng)，尺寸較短的線，傳播時(shí)間也較短。如果信號(hào)上升時(shí)間是電纜傳播延遲時(shí)間的四倍以上，該電纜不應(yīng)視為傳輸線。

并聯(lián)端接

無論網(wǎng)絡(luò)中連接了多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，都不應(yīng)存在兩個(gè)以上的端接電阻。端接電阻值等于電纜的特征阻抗。在半雙工配置中，電纜的兩端必須端接。在全雙工配置中，只有主接收器和最遠(yuǎn)的從接收器需要端接。

交流端接

交流端接用于降低空閑鏈路的功耗以及降低振鈴電壓。不過負(fù)面影響是會(huì)減少電纜長(zhǎng)度并降低比特率。電容CT用以下公式選擇：

6.5 分支線長(zhǎng)度

分支線長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)小于與位周期倒數(shù)相等的頻率的?波長(zhǎng)。

6.6 數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度

使用高數(shù)據(jù)速率時(shí)，只能使用較短的電纜。使用低數(shù)據(jù)速率時(shí)，可使用更長(zhǎng)的電纜。對(duì)于低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，電纜的直流電阻上的壓降會(huì)降低噪聲裕量，限制了電纜長(zhǎng)度。使用高數(shù)據(jù)速率時(shí)，電纜的交流效應(yīng)限制了信號(hào)的質(zhì)量并將電纜長(zhǎng)度限于較短距離。對(duì)于RS-422，數(shù)據(jù)速率/電纜長(zhǎng)度的變化范圍為90 kbps/4000英尺到10 Mbps/15英尺。

以下是較為保守的電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率變化曲線。

7. EMC及防護(hù)

7.1 接收器的差分輸入閥值電壓

7.2 開啟故障安全

總線空閑條件期間，沒有器件驅(qū)動(dòng)總線。接收器輸出處于未定義狀態(tài)。這會(huì)導(dǎo)致UART上接收到隨機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)而引起無效起始位、虛假中斷和幀錯(cuò)誤。要解決這一問題，可以在總線上的一個(gè)位置同時(shí)放置上拉電阻和下拉電阻。如下圖：

R1、R2的計(jì)算如下：

7.3 隔離

RS-485應(yīng)用中通常使用較長(zhǎng)鏈路,這會(huì)引起總線上不同節(jié)點(diǎn)的鏈路地電位略有不同,從而產(chǎn)生鏈路地電流。直流電源供電的非隔離設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，鏈路地與電源地容易形成地環(huán)，引入地噪聲。隔離能較好的阻斷共模噪聲在節(jié)點(diǎn)間的傳遞。隔離必須對(duì)信號(hào)線路和電源都進(jìn)行隔離。

7.4 瞬變過壓應(yīng)力保護(hù)

雷擊、電源波動(dòng)、開關(guān)感應(yīng)和靜電放電等會(huì)通過產(chǎn)生較大瞬變電壓對(duì)RS-485收發(fā)器造成損害。因此，ESD保護(hù)、EFT保護(hù)和浪涌保護(hù)技術(shù)規(guī)范適用于RS-485應(yīng)用。

在RS-485應(yīng)用中，TVS的功能是將總線上的電壓鉗位至RS-485收發(fā)器的共模電壓范圍(?7 V至+12 V)，可在受保護(hù)器件與TVS之間增加電阻RS(10 Ω至20 Ω)來加強(qiáng)防護(hù)。如下圖所示：

7.5 RS-485接口的EMC電路方案

常見的有以下3種

RS-485接口需要應(yīng)對(duì)的瞬變干擾主要有：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。

設(shè)計(jì)瞬變保護(hù)電路時(shí)，需考慮以下要點(diǎn)：

必須防止或限制瞬變?cè)斐傻膿p壞，讓系統(tǒng)能夠在性能影響最低的情況下恢復(fù)正常工作。

保護(hù)方案應(yīng)該足夠強(qiáng)大，以便應(yīng)對(duì)系統(tǒng)在電磁場(chǎng)中可能遇到的各種類型的瞬變。

瞬變時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)重要因素。對(duì)于較長(zhǎng)的瞬變，熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致某些保護(hù)方案失效。

正常工作條件下，保護(hù)電路應(yīng)該不會(huì)干擾系統(tǒng)工作。

如果保護(hù)電路因過應(yīng)力而失效，應(yīng)該以保護(hù)系統(tǒng)的方式失效。

主要有兩種類型的保護(hù)方案。過流保護(hù)用于限制峰值電流，過壓保護(hù)用于限制峰值電壓。

典型的兩級(jí)保護(hù)，主保護(hù)處理大部分瞬變能量，次級(jí)保護(hù)處理主保護(hù)允許通過的任何瞬變電壓（殘壓）和電流。

審核編輯：郭婷