RS-485收發(fā)器相關(guān)問題解答

RS-485收發(fā)器相關(guān)問題已經(jīng)困擾您許久？別擔(dān)心！本文就常見問題提供了一些見解，對于想要了解這一既定通信標(biāo)準(zhǔn)的人來說，相信會為您提供幫助！

1. 何時需要在RS-485總線上端接，以及如何正確端接？

RS-485總線端接在許多應(yīng)用中均很有用，因為此方式有助于提高信號完整性并減少通信問題。“端接”是指將電纜的特征阻抗與端接網(wǎng)絡(luò)匹配，使總線末端的接收器能夠觀察到最大信號功率。未端接或端接不當(dāng)?shù)目偩€將無法很好的匹配，從而在網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生反射，導(dǎo)致整體信號完整性降低。

在網(wǎng)絡(luò)的雙向環(huán)路時間遠(yuǎn)大于信號位時間時，無需終止，因為每次反射到達網(wǎng)絡(luò)末端時，它們都會損失能量。但是，對于位時間基本上不長于電纜環(huán)路時間的應(yīng)用，為使反射最小化，端接至關(guān)重要。

最基本的端接稱為并聯(lián)端接，由單個電阻組成，如圖1所示。RS-485標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)稱特性阻抗達到120Ω，因此端接電阻的默認(rèn)值應(yīng)為RT = 120Ω。

圖1：具有并聯(lián)端接的RS-485總線什么是故障安全偏置，如何實現(xiàn)？

2.什么是故障安全偏置，如何實現(xiàn)？

故障安全偏置是確保RS-485接收器不會因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)的一種方式。電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）-485標(biāo)準(zhǔn)指出：當(dāng)差分電壓≥+ 200mV時，RS-485的輸入閾值是邏輯高；差分電壓≤-200mV時，RS-485的輸入閾值是邏輯低，從而在高低閾值之間保持400mV的不確定狀態(tài)。

可通過以下兩種方式實現(xiàn)故障安全偏置：

選擇在接收器中具有內(nèi)置故障安全輸入閾值的收發(fā)器。

添加外部電阻，以在空載總線上產(chǎn)生外部偏置。

兩種方法都可以確保總線上的邏輯高狀態(tài)。閱讀博文：“RS-485基礎(chǔ)：故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)的兩種方法。

3. 如何計算RS-485總線上的最大節(jié)點數(shù)？

RS-485是多點差分總線，意味著總線上的所有節(jié)點都共享一個公共傳輸介質(zhì)。隨著節(jié)點總數(shù)增加，每個驅(qū)動器上的負(fù)載也將隨之增加。

電信行業(yè)協(xié)會（TIA）/ EIA-485標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建了一個假設(shè)的單位負(fù)載（UL），以幫助計算RS-485總線上的最大節(jié)點數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：驅(qū)動器必須能夠在最多32個單元負(fù)載上并行驅(qū)動至少1.5V差分信號，并在總線的兩端分別連接兩個120Ω終端電阻。

公式1表示輸入電壓除以漏電電流后最壞情況下的比值來計算輸入電阻。在確定了節(jié)點的輸入電阻后，可使用公式2計算RS-485總線上的最大節(jié)點數(shù)：

輸入電阻=最大（VIN/Ileakage）（1）

節(jié)點數(shù)= 32 /輸入電阻（2）

4. 如何了在恰當(dāng)時間需要在節(jié)點之間添加一根地線？

設(shè)計遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時，必須假設(shè)存在一些接地電位差。這些電壓會給發(fā)射機輸出增加共模噪聲Vn。即使總疊加信號處在接收機的輸入共模范圍內(nèi)，依靠當(dāng)?shù)氐牡仉娢徊钭鳛榉祷仉娏鞯目煽柯窂揭彩遣话踩?。接地電位差（GPD）超出接收器的共模范圍時（在長電纜和大電流負(fù)載的情況下經(jīng)常發(fā)生），需要使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)。

圖2：遠(yuǎn)程節(jié)點配置：獨立的接地點（a）；直接連接的遠(yuǎn)程接地（b）；器件接地和本地系統(tǒng)接地的分離（c）

圖2a所示為可能從電氣安裝的不同部分汲取功率的遠(yuǎn)程節(jié)點。對安裝的任何變動（例如在維護工作期間）均可將GPD以至于超出接收器的輸入共模范圍的程度。因此可能會導(dǎo)致目前正工作的數(shù)據(jù)鏈路將來停止運行。

也不建議通過接地線直接連接遠(yuǎn)程接地（圖2b），因為直接連接會導(dǎo)致大的接地回路電流作為共模噪聲耦合到數(shù)據(jù)線。

為實現(xiàn)遠(yuǎn)程接地的直接連接，RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議通過插入電阻器將設(shè)備接地與本地系統(tǒng)接地分開（圖2c）。雖然這種方法降低了環(huán)路電流，但由于存在一個大接地環(huán)路使數(shù)據(jù)鏈路對環(huán)路其他地方產(chǎn)生的噪聲保持敏感。因此，尚未建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路。

要在強健的RS-485數(shù)據(jù)鏈路上遠(yuǎn)距離承受高達數(shù)千伏的GPD，最佳方法是將總線收發(fā)器的信號和電源線與其本地信號和電源進行電流隔離。這種情況下，電源隔離器（例如隔離的DC / DC轉(zhuǎn)換器）和信號隔離器（例如數(shù)字電容隔離器）可防止電流在遠(yuǎn)程系統(tǒng)接地之間流動，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。

5. RS-485的長度與速度建議值是多少？

在額定的數(shù)據(jù)速率下，最大總線長度受限于傳輸線損耗和信號抖動。由于在波特率為10％或以上的抖動，數(shù)據(jù)可靠性急劇下降，因此圖3所示為傳統(tǒng)RS-485電纜在信號抖動10%的情況下的電纜長度與數(shù)據(jù)速率特性。

圖3：電纜長度與數(shù)據(jù)速率建議

在圖3上，標(biāo)有1號的圓圈代表電纜長度較短時的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。此處，可忽略傳輸線的損耗。數(shù)據(jù)速率主要取決于驅(qū)動器的上升時間。盡管該標(biāo)準(zhǔn)建議使用10 Mbps，但如今的快速接口電路可以高達50 Mbps的數(shù)據(jù)速率運行。

圖3中的紅色2號代表從短數(shù)據(jù)線到長數(shù)據(jù)線的過渡。必須考慮較長傳輸線的損耗。因此，隨著電纜長度的增加，數(shù)據(jù)速率必須降低。根據(jù)經(jīng)驗，線路長度[m]與數(shù)據(jù)速率[bps]的乘積應(yīng)為107。

紅色的3代表低頻范圍，其中電纜串聯(lián)電阻和線路端接的相互作用會導(dǎo)致信號衰減。在某個點，信號的振幅變得比接收機能夠正常檢測到的幅度要小（即不超過VIT閾值）。

6. 如何估計RS-485的功耗？

要計算功耗，可將功率分為幾部分。當(dāng)器件在沒有外部負(fù)載的情況下通電時，功耗將用于集成電路本身。如果在輸出引腳上增加負(fù)載，則驅(qū)動負(fù)載的功率將從器件中抽取。由于RS-485具有差分信號，因此負(fù)載通常添加在A和B引腳之間。

在圖4中，藍(lán)色軌跡，PDic，是器件消耗的功率。對于低數(shù)據(jù)速率，功耗主要來自電阻負(fù)載（紅色跡線），PDdc。對于高數(shù)據(jù)速率，需考慮電容性負(fù)載的功耗（綠色跡線）PDac。

圖4：計算功耗扇區(qū)

公式3計算總功耗為：

PDtotal = PDic + PDdc + PDac (3)

如需計算總功耗，必須首先計算出每個部分的功率。器件功耗參見公式4，其中靜態(tài)電源電流Icc在數(shù)據(jù)手冊中指定：

PDic = Vcc*Icc (4)

如果將電阻性負(fù)載置于總線上，驅(qū)動器會在其上產(chǎn)生一個電壓（Vod），如公式5和6所示，其中C是寄生電容，它包括收發(fā)器的電容、負(fù)載的電容和跡線電容。數(shù)據(jù)頻率f也包括在計算中。

PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I (5)

PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod (6)

閱讀博文：“如何計算高速RS-485收發(fā)器的功耗”。

7.如何保護RS-485接口免受靜電釋放（ESD）影響？

ESD保護有多種類型，包括人體模型、國際電工委員會（IEC）接觸放電和IEC氣隙放電。如果一個收發(fā)器具有集成了IEC ESD（例如德州儀器的THVD1450或THVD1500），則無需外部組件就可在指定收發(fā)器的電平上保護RS-485接口免受ESD的影響。

例如，在沒有任何外部元件的情況下，THVD1450可以支持18-kV IEC 61000-4-2接觸放電。市場上許多器件都沒有這種集成，因此需要外部瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。閱讀博文：“如何根據(jù)額定電壓為RS-232、RS-485和CAN選擇TVS二極管?！?/p>

8. 如何了解是否需要外部TVS二極管？

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須在惡劣的環(huán)境中可靠運行。由ESD、感應(yīng)負(fù)載的切換或雷擊引起的電氣過應(yīng)力瞬變會破壞數(shù)據(jù)傳輸并損壞總線收發(fā)器，除非采取有效措施來減少瞬態(tài)影響。

德州儀器器件已根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進行了測試：

IEC 61000-4-2的ESD抗靜電測試，模擬了操作員直接向相鄰電子部件施加靜電。THVD1500和THVD1450已通過此標(biāo)準(zhǔn)測試。

IEC 61000-4-4-4的電氣快速瞬態(tài)(EFT)或突發(fā)抗擾度測試，模擬了因感應(yīng)負(fù)載中斷、繼電器觸點彈跳等引起的日常開關(guān)瞬變。THVD1450和THVD1550已通過此標(biāo)準(zhǔn)測試。

就電流和持續(xù)時間而言，電涌抗擾度測試IEC 61000-4-5是最嚴(yán)格的瞬態(tài)抗擾度測試，約比ESD和EFT測試時間長1000倍。THVD1429和THVD1419已通過此標(biāo)準(zhǔn)測試。

德州儀器的THVD系列最新的RS-485收發(fā)器根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)集成了各種保護級別，且無需額外的外部保護。保護級別在器件數(shù)據(jù)表中指定。

9. 如何防止高電壓短路？

在許多RS-485應(yīng)用中，存在著不慎將通信線連接到電源線的風(fēng)險。這種風(fēng)險在現(xiàn)場安裝的系統(tǒng)中特別高，如HVAC系統(tǒng)、照明控制或其他樓宇自動化應(yīng)用等現(xiàn)場安裝的系統(tǒng)中。這些情況下，必須確保RS-485收發(fā)器不會損壞，以避免昂貴的現(xiàn)場退貨和重新安裝風(fēng)險。

雖然像TVS二極管之類的箝位元件能夠限制瞬態(tài)事件中收發(fā)器觀察到的最大電壓，但它們通常無法防止較長時間的應(yīng)力（例如DC短路）。為防止這些情況，需要一些串聯(lián)限流元件。一種典型的方法是使用正溫度系數(shù)（PTC）電阻器。該電阻在標(biāo)稱條件下的電阻較低，但在故障條件下，當(dāng)大電流流過時（例如，流過TVS等箝位裝置），電阻就會變大。德州儀器參考設(shè)計“保護RS-485收發(fā)器免受持續(xù)高電壓/電氣過應(yīng)力的參考設(shè)計”中可看到使用THVD1500收發(fā)器的實現(xiàn)方式的示例。

但是，使用這些額外的串聯(lián)限流和并聯(lián)電壓箝位元件可能會很昂貴，并占用寶貴的PCB空間。因此，大多數(shù)情況下，更優(yōu)化的方法是使用能夠耐受這些高故障電壓而無需外部保護的收發(fā)器。THVD2450就是一個示例。其額定承受直流短路電壓可達+/- 70V。

審核編輯：郭婷