關(guān)于RS485接口的經(jīng)典問答

RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。我們知道，最初數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問題。為此本文通過問答的形式詳細(xì)介紹RS485接口。

一、什么是RS-485接口?它比RS-232-C接口相比有何特點(diǎn)?

答：由于RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

(1)接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

(2)傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。

(3)接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

(4)傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。針對(duì)RS-232-C的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485就是其中之一，它具有以下特點(diǎn)：

1)RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2)RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps

3)RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

4)RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

5)因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9(孔)，與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9(針)。

二、RS-422與RS-485串行接口標(biāo)準(zhǔn)

1、平衡傳輸

RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B

通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。

接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。

2、RS-422電氣規(guī)定

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖2是典型的RS-422四線接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共5根線。圖1是其DB9連接器引腳定義。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)，其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是10×4k+100Ω(終接電阻)。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對(duì)單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。

3、RS-485電氣規(guī)定

由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。

而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主(Master)設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個(gè)設(shè)備。

RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k劍鳵S-422是4k健;舊峽梢運(yùn)礡S-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動(dòng)器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。

RS-485需要2個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。

三、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)安裝注意要點(diǎn)

RS-422可支持10個(gè)節(jié)點(diǎn)，RS-485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。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)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

1、采用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。所示為實(shí)際應(yīng)用中常見的一些錯(cuò)誤連接方式(a，c，e)和正確的連接方式(b，d，f)。a，c，e這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

2、應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過長(zhǎng)的分支線引出到總線。

總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。

四、RS-422與RS-485傳輸線上匹配的一些說明

對(duì)RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進(jìn)行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢?理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握，美國(guó)MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間(上升或下降時(shí)間)超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)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(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠(yuǎn)端并接電阻，RS-485則應(yīng)在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當(dāng)于電纜特性阻抗的電阻，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)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，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(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。

還有一種采用二極管的匹配方法，這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。

五、RS-422與RS-485的接地問題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-422與RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個(gè)原因：

1、共模干擾問題：正如前文已述，RS-422與RS-485接口均采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如RS-422共模電壓范圍為-7～+7V，而RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖1為例，當(dāng)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)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VCM就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

2、(EMI)問題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒有一個(gè)低阻的返回通道(信號(hào)地)，就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。

由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對(duì)整個(gè)RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)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(hào)地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

值得注意的是，這種做法僅對(duì)高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會(huì)形成很大的接地環(huán)路電流，對(duì)于通信不會(huì)有很大影響。當(dāng)共模干擾源內(nèi)阻較低時(shí)，會(huì)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：

(1)如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會(huì)使共模電壓升高，但只要控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)就不會(huì)影響正常通信。

(2)采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當(dāng)共模干擾內(nèi)阻很小時(shí)上述方法已不能奏效，此時(shí)可以考慮將引入干擾的節(jié)點(diǎn)(例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)浮置起來(也就是系統(tǒng)的電路地與機(jī)殼或大地隔離)，這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會(huì)形成很大的環(huán)路電流。

(3)采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方面的考慮，電路地必須與機(jī)殼或大地相連，不能懸浮，這時(shí)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。

六、RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)

RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，如前文所述，當(dāng)接收器A電平比B電平高+200mV以上時(shí)，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時(shí)沒有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來了一個(gè)問題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機(jī)的輸出為0V，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，不再有設(shè)備請(qǐng)求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。

通常是在總線上加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時(shí)，利用偏置電阻將總線偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200mV)。如圖1。將A上拉到地，B下拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，具體數(shù)值隨電纜的電容變化而變化。

上述方法是比較經(jīng)典的方法，但它仍然不能解決總線短路時(shí)的問題，有些廠家將接收門限移到-200mV/-50mV，可解決這個(gè)問題。

七、RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護(hù)

前文提到的信號(hào)接地措施，只對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。由于傳輸線對(duì)高頻信號(hào)而言就是相當(dāng)于電感，因此對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。

實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞RS-422或RS-485通信接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

1、隔離保護(hù)方法。這種方案實(shí)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(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)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(jiǎn)便。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。

2、旁路保護(hù)方法。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(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運(yùn)用，如圖1。在這種方法中，隔離接口對(duì)大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。

八、采用RS485接口時(shí)，傳輸電纜的長(zhǎng)度如何考慮?

在使用RS485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)速率的關(guān)系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜(線徑為0。51mm)，線間旁路電容為52。5PF/M，終端負(fù)載電阻為100歐時(shí)所得出。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)，則電纜長(zhǎng)度被限制在1200M。在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長(zhǎng)度。當(dāng)使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長(zhǎng)度是不相同的。

九、如何實(shí)現(xiàn)RS-485/422多點(diǎn)通訊

RS-485總線上任何時(shí)候只能有一發(fā)送器發(fā)送。半雙工方式，主從只能一個(gè)發(fā)。全雙工方式，主站總可發(fā)送，從站只能有一個(gè)發(fā)送。

十、RS-485/RS422接口通訊時(shí)，在什么條件下需要采用終端匹配?電阻值如何確定?如何配置終端匹配電阻?

在長(zhǎng)線信號(hào)傳輸時(shí)，一般為了避免信號(hào)的反射和回波，需要在接收端接入終端匹配電阻。其終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性，與電纜的長(zhǎng)度無關(guān)。

RS-485/RS-422一般采用雙絞線(屏蔽或非屏蔽)連接，終端電阻一般介于100至140Ω之間，典型值為120Ω。在實(shí)際配置時(shí)，在電纜的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上，即最近端和最遠(yuǎn)端，各接入一個(gè)終端電阻，而處于中間部分的節(jié)點(diǎn)則不能接入終端電阻，否則將導(dǎo)致通訊出錯(cuò)。

十一、RS-485網(wǎng)不知道最遠(yuǎn)站點(diǎn)是哪一個(gè)，應(yīng)該如何接匹配電阻呢?

會(huì)出現(xiàn)這種情況，是由于用戶組成RS-485網(wǎng)時(shí)，沒有遵循站點(diǎn)至總線的連線應(yīng)盡可能短的原則。如果總線布線遵循這一原則，就不存在不知道哪個(gè)站點(diǎn)是最遠(yuǎn)的問題。而且要注意，這樣的布線，系統(tǒng)將會(huì)工作得不好。

十二、RS-485/RS-422接口為何在停止通信時(shí)接收器仍有數(shù)據(jù)輸出?

由于RS-485/RS-422在發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，要求所有的發(fā)送使能控制信號(hào)關(guān)閉且保持接收使能有效，此時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻狀態(tài)且接收器能夠監(jiān)測(cè)總線上是否有新的通信數(shù)據(jù)。但是由于此時(shí)總線處于無源驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(若總線有終端匹配電阻時(shí)，A和B線的差分電平為0，接收器的輸出不確定，且對(duì)AB線上的差分信號(hào)的變化很敏感;若無終端匹配，則總線處于高阻態(tài)，接收器的輸出不確定)，容易受到外界的噪聲干擾。當(dāng)噪聲電壓超過輸入信號(hào)門限時(shí)(典型值±200mV)，接收器將輸出數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的UART接收無效的數(shù)據(jù)，使緊接著的正常通訊出錯(cuò);另外一種情況可能發(fā)生在打開/關(guān)閉發(fā)送使能控制的瞬間，使接收器輸出信號(hào)，也會(huì)導(dǎo)致UART錯(cuò)誤地接收。

解決方法：

1)在通訊總線上采用同相輸入端上拉(A線)、反相輸入端下拉(B線)的方法對(duì)總線進(jìn)行鉗位，保證接收器輸出為固定的“1”電平;

2)采用內(nèi)置防故障模式的MAX308x系列的接口產(chǎn)品替換該接口電路;

3)通過軟件方式消除，即在通信數(shù)據(jù)包內(nèi)增加2-5個(gè)起始同步字節(jié)，只有在滿足同步頭后才開始真正的數(shù)據(jù)通訊。

十三、影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素

1、在通信電纜中的信號(hào)反射

在通信過程中，有兩種信號(hào)因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖1所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻從理論上分析，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(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，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(hào)反射還會(huì)存在。

引起信號(hào)反射的另個(gè)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(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF(RefectionAttenuationFactor反射衰減因子)。它的計(jì)算公式如式(1)。

RAF=20lg(Vref/Vinc)(1)

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

具體的測(cè)量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號(hào)的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要減弱反射信號(hào)對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)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(xì)介紹。

十四、在通訊電纜中的信號(hào)衰減

第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中衰減。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。

電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)型二芯電感(西門子為DP總線選用的標(biāo)準(zhǔn)電纜)，在不同波特率時(shí)的衰減系數(shù)。

十五、在通訊電纜中的純阻負(fù)載

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

在敘述EIARS-485規(guī)范時(shí)曾提到過RS-485驅(qū)動(dòng)器在帶了32個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖5所示。按這樣計(jì)算，RS-485驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力為：RL=32個(gè)輸入電阻并聯(lián)||2個(gè)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(qū)動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載的關(guān)系計(jì)算，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可帶節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個(gè)。

在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時(shí)(空閑方式)的電平拉離0電平。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號(hào)或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會(huì)由于這些信號(hào)的到來而產(chǎn)生誤動(dòng)作。通過下面后例子了，可以計(jì)算出偏置電阻的大?。航K端電阻Rt1=Rr2=120Ω;

假設(shè)反射信號(hào)最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負(fù)半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號(hào)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(hysteresisvalue)為50mV，即：

(Ibias-Iref)×(Rt1||Rt2)≥50mV

于是可以計(jì)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(jì)算出R上拉=R下拉=720Ω

在實(shí)際應(yīng)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(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。

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

十六、RS-485總線的負(fù)載能力和通訊電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系

在設(shè)計(jì)RS-485總線組成的網(wǎng)絡(luò)配置(總線長(zhǎng)度和帶負(fù)載個(gè)數(shù))時(shí)，應(yīng)該考慮到三個(gè)參數(shù)：純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減和噪聲容限。純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減這兩個(gè)參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限(NoiseMargin)。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應(yīng)該大于200mV。前面的論述者是在假設(shè)噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。

在實(shí)際應(yīng)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EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負(fù)載的多少和通訊電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系：Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)

其中：Vend為總線末端的信號(hào)電壓，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定時(shí)規(guī)定為0.2V;Vdriver為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓(與負(fù)載數(shù)有關(guān)。負(fù)載數(shù)在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V;當(dāng)負(fù)載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V;當(dāng)負(fù)載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V);Vloss為信號(hào)在總線中的傳輸過程中的損耗(與通訊電纜的規(guī)格和長(zhǎng)度有關(guān))，由表1提供的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長(zhǎng)度1km，如果特率增加，Vloss會(huì)相應(yīng)增大);Vnoise為噪聲容限，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定時(shí)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(jìn)入滿載狀態(tài)。從式(3)可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負(fù)載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長(zhǎng)度成反比，其他幾個(gè)參數(shù)只和用的驅(qū)動(dòng)器類型有關(guān)。因此，在選定了驅(qū)動(dòng)器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負(fù)載數(shù)的多少，與信號(hào)能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：

在總線允許的范圍內(nèi)，帶負(fù)載數(shù)越多，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就越小;帶負(fù)載數(shù)據(jù)少，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠(yuǎn)。

十七、分布電容對(duì)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(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對(duì)總線傳輸性能的影響，主要是因?yàn)榭偩€上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號(hào)“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)“1”到來時(shí)，由于分布電容中的電荷，來不及放電，(Vin+)-(Vin-)-還大于200mV，結(jié)果使接愛誤認(rèn)為是“0”，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。

由于總線上分布影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能降低。解決這個(gè)問題有兩種方法：

(1)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?

(2)使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質(zhì)量。

十八、單工、半雙工和全雙工的定義

1、如果在通信過程的任意時(shí)刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。

2、如果在任意時(shí)刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個(gè)方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。

3、如果在任意時(shí)刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號(hào)傳輸，則稱為全雙工。

電話線就是二線全雙工信道。由于采用了回波抵消技術(shù)，雙向的傳輸信號(hào)不致混淆不清。雙工信道有時(shí)也將收、發(fā)信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號(hào)，如回線傳輸。

審核編輯：湯梓紅