RS-485的關鍵技術特征及應用

1. RS-485的關鍵技術特征

長距離鏈路——最長4000英尺，1 英尺=0.3048 米，1200m ；

可在一對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；

可將多個驅(qū)動器和接收器連接至同一總線；

寬共模范圍允許驅(qū)動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技術規(guī)范的器件不必在整個范圍內(nèi)工作并且不限于10 Mbps；

2. 應用場合

過程控制網(wǎng)絡、工業(yè)自動化、遠程終端、樓宇自動化（例如，暖通空調(diào)（HVAC））、保安系統(tǒng)、電機控制和運動控制等。

3. 標準

TIA/EIA-485-A：是電信業(yè)使用最廣泛的傳輸線路標準，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，能夠在相對較長的距離內(nèi)實現(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標準與TIA/EIA-422-B標準類似，TIA/EIA-485-A標準中規(guī)定的驅(qū)動器和接收器值同時滿足這兩種標準。

4. 使用差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點

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信號電平可高于或低于接收端A、B信號電平，則傳輸線纜上的電壓降不影響電平判斷（但線纜太長，則信號的噪聲容限會變?。?/p>

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

共模電壓(VCM)定義：VCM = (VIA + VIB)/2

5. RS-422與RS-485的共同點及差異

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

差異點：

5.1 總線架構差異

RS-422是單工多分支標準，只能將1個驅(qū)動器和最多10個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)定為多點標準，可在同一總線上連接最多32個收發(fā)器，如下圖。

半雙工：RS-485收發(fā)器必須具有驅(qū)動器/接收器使能引腳,一次僅使能一個驅(qū)動器發(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)點之間雙向同時通信。

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個單位負載(UL)。RS-485技術規(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引腳設置為低電平(DE = 0),可將驅(qū)動器置于高阻態(tài)。將驅(qū)動器從總線有效斷開。使RS-485總線支持多驅(qū)動器組網(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)動器載至接收器,另一條提供回到驅(qū)動器的返回路徑。要實現(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，這就必須進行適當?shù)碾娎|端接。

6.2 反射與線纜長度

信號轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會立即發(fā)生反射。在較長的線路上，反射更有可能持續(xù)很長的時間，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)時間短得多，因此對接收的邏輯電平?jīng)]有影響。這就解釋了實際485組網(wǎng)測試時，用較短的線纜就不需要撥終端電阻，而用較長的線纜則需要撥終端電阻。

6.3 終端電阻位置

在RS-422應用中，總線上只有一個驅(qū)動器，如果要使用端接，必須將端接置于最遠端的一個接收器的電纜末端。根據(jù)RS-485應用的要求，端接應位于主節(jié)點以及距離主節(jié)點最遠的從節(jié)點。

6.4 端接方式

無端接

尺寸較長的線,傳播時間也較長，尺寸較短的線，傳播時間也較短。如果信號上升時間是電纜傳播延遲時間的四倍以上，該電纜不應視為傳輸線。

并聯(lián)端接

無論網(wǎng)絡中連接了多少個節(jié)點，都不應存在兩個以上的端接電阻。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。不過負面影響是會減少電纜長度并降低比特率。電容CT用以下公式選擇：

6.5 分支線長度

分支線長度應遠小于與位周期倒數(shù)相等的頻率的?波長。

6.6 數(shù)據(jù)速率與電纜長度

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

以下是較為保守的電纜長度與數(shù)據(jù)速率變化曲線。

7. EMC及防護

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)動總線。接收器輸出處于未定義狀態(tài)。這會導致UART上接收到隨機數(shù)據(jù)，進而引起無效起始位、虛假中斷和幀錯誤。要解決這一問題，可以在總線上的一個位置同時放置上拉電阻和下拉電阻。如下圖：

R1、R2的計算如下：

7.3 隔離

RS-485應用中通常使用較長鏈路,這會引起總線上不同節(jié)點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備組網(wǎng)時，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)點間的傳遞。隔離必須對信號線路和電源都進行隔離。

7.4 瞬變過壓應力保護

雷擊、電源波動、開關感應和靜電放電等會通過產(chǎn)生較大瞬變電壓對RS-485收發(fā)器造成損害。因此，ESD保護、EFT保護和浪涌保護技術規(guī)范適用于RS-485應用。

在RS-485應用中，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)，可在受保護器件與TVS之間增加電阻RS(10 Ω至20 Ω)來加強防護。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接口需要應對的瞬變干擾主要有：靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌(Surge)。

設計瞬變保護電路時，需考慮以下要點：

必須防止或限制瞬變造成的損壞，讓系統(tǒng)能夠在性能影響最低的情況下恢復正常工作。

保護方案應該足夠強大，以便應對系統(tǒng)在電磁場中可能遇到的各種類型的瞬變。

瞬變時長是一個重要因素。對于較長的瞬變，熱效應會導致某些保護方案失效。

正常工作條件下，保護電路應該不會干擾系統(tǒng)工作。

如果保護電路因過應力而失效，應該以保護系統(tǒng)的方式失效。

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

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

審核編輯：郭婷