【導(dǎo)讀】本文介紹RS-485網(wǎng)絡(luò)的正確連接方法，包括雙絞線布線及正確安裝匹配電阻的建議。列出了正確端接和錯(cuò)誤端接下的接收器波形。給出了從簡(jiǎn)單的單發(fā)送器/多接收器網(wǎng)絡(luò)到多個(gè)收發(fā)器及多個(gè)分支電路的配置。
本文可以作為連接RS-485網(wǎng)絡(luò)的基本指南。RS-485規(guī)范(官方稱為TIA/EIA-485-A)沒有特別規(guī)定應(yīng)該如何連接RS-485網(wǎng)絡(luò)。盡管如此，規(guī)范還是給出了一些指南。這些指南和良好的工程實(shí)踐是本文的基礎(chǔ)。然而，本文提出的建議并不能涵蓋設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的所有不同方式。
RS-485在多個(gè)位置之間發(fā)送數(shù)字信息。數(shù)據(jù)率可高達(dá)10Mbps，有時(shí)候甚至更高。RS-485設(shè)計(jì)主要用于在較長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸信息，其能力完全可滿足1000米的距離。RS-485能夠成功實(shí)現(xiàn)的傳輸距離和數(shù)據(jù)率很大程度上依賴于系統(tǒng)的接線方法。
連線
RS-485的設(shè)計(jì)為平衡系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說，使用兩根線傳輸信號(hào)，沒有地。
圖1. 平衡系統(tǒng)使用兩根線傳輸數(shù)據(jù)，沒有地。
系統(tǒng)之所以稱為是平衡的，是因?yàn)槔硐肭闆r下其中一根線上的信號(hào)與另一根線上的信號(hào)嚴(yán)格相反。也就是說，如果一根線發(fā)送的為高電平，另一根線將發(fā)送低電平，反之亦然，見圖2。
圖2. 平衡系統(tǒng)中兩根線上的信號(hào)嚴(yán)格相反。
盡管RS-485可使用多種類型的介質(zhì)進(jìn)行成功傳輸，但應(yīng)使用通常稱為“雙絞線”的接線方法。
什么是雙絞線？為什么使用雙絞線？
顧名思義，雙絞線是一對(duì)等長(zhǎng)、纏繞在一起的電線。RS-485兼容的發(fā)送器與雙絞線配合使用可降低設(shè)計(jì)高速長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要故障源：輻射EMI和接收EMI。
輻射EMI
如圖3所示，當(dāng)利用快速變化的邊沿發(fā)送信息時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高頻成分。由于RS-485能夠以較高數(shù)據(jù)率進(jìn)行傳輸，快速變化的邊沿就必不可少。
圖3. 125kHz方波及其FFT圖。
快速變化的邊沿中不可避免的高頻成分與長(zhǎng)連接線相耦合，會(huì)產(chǎn)生輻射EMI。采用雙絞線的平衡系統(tǒng)使系統(tǒng)成為沒有效率的輻射體，可降低這種影響。其工作原理很簡(jiǎn)單：由于傳輸線上的信號(hào)相等、極性相反，每根線上輻射的信號(hào)也相當(dāng)、極性相反。這就存在彼此抵消的效果，意味著不存在凈輻射EMI。然而，這種結(jié)果基于一個(gè)前提：連接線長(zhǎng)度嚴(yán)格相等、位置嚴(yán)格相同。由于兩根線不可能同時(shí)處于相同的位置，所以兩根線應(yīng)盡量彼此靠近。將兩根線纏繞在一起，之間的距離就非常有限，有助于抵消剩余的EMI。
接收EMI
接收EMI基本上與輻射EMI的問題相同，但方向相反。RS-485系統(tǒng)中使用的線纜也作為天線接收有害信號(hào)。這些有害信號(hào)會(huì)造成有用信號(hào)失真，如果足夠嚴(yán)重，會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。與雙絞線有助于防止輻射EMI的原因相同，雙絞線也有助于降低接收EMI的影響。由于兩根線彼此靠近并纏繞在一起，一根線上接收的噪聲將傾向于與另一個(gè)線上接收的噪聲相同。這種類型的噪聲被稱為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設(shè)計(jì)用于檢測(cè)彼此極性相反的信號(hào)，所以很容易抑制共模噪聲。
雙絞線的特征阻抗
根據(jù)電纜的幾何結(jié)構(gòu)以及所用絕緣材料的不同，雙絞線的“特征阻抗”一般由制造商給出。RS-485規(guī)范推薦但沒有特別規(guī)定特征阻抗應(yīng)為120Ω。推薦這一阻抗是RS-485規(guī)范中計(jì)算最差工作條件負(fù)載以及共模電壓范圍所必需的。規(guī)范沒有特別規(guī)定該阻抗可能是出于靈活性考慮。如果因?yàn)槟撤N原因不能使用120Ω電纜，建議重新計(jì)算最差工作條件負(fù)載(可使用的發(fā)送器和接收器數(shù)量)和最差工作條件共模電壓范圍，以確保所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠正常工作。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TSB89《ATIA-EIA-485-A應(yīng)用指南》1中有一章專門介紹了這些計(jì)算。
每個(gè)發(fā)送器的雙絞線對(duì)數(shù)量
在理解了要求的傳輸線類型后，讀者可能會(huì)問：一個(gè)發(fā)送器能夠驅(qū)動(dòng)幾對(duì)雙絞線？簡(jiǎn)單回答就是：只能一對(duì)。盡管發(fā)送器在特定環(huán)境條件下有可能驅(qū)動(dòng)多個(gè)雙絞線對(duì)，但這不符合規(guī)范。
匹配電阻
由于涉及到高頻率和距離，必須嚴(yán)密關(guān)注傳輸線效應(yīng)。然而，關(guān)于傳輸線效應(yīng)和正確端接技術(shù)的詳細(xì)討論超出了本應(yīng)用筆記的內(nèi)容范圍。因此，本文簡(jiǎn)要討論與RS-485相關(guān)的最簡(jiǎn)單形式的匹配電阻。
匹配電阻就是安裝在電纜最末端的電阻(圖4)。匹配電阻值在理想情況下與電纜的特征阻抗值相同。
圖4. 匹配電阻值應(yīng)與雙絞線的特征阻抗值相同，應(yīng)安裝在電纜的遠(yuǎn)端。
如果匹配電阻值與連接線的特征電阻值不同，信號(hào)在電纜中傳輸時(shí)將發(fā)生反射。這一過程由公式(Rt - Zo)/(Zo + Rt)給出，其中Zo為電纜阻抗，Rt為匹配電阻值。盡管電纜和電阻容限會(huì)造成一定不可避免的反射，但足夠大的失配會(huì)引起足以造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的較大反射，見圖5。
圖5. 使用上圖所示的電路，左側(cè)的波形是通過MAX3485獲得的，器件驅(qū)動(dòng)120Ω雙絞線電纜，匹配電阻為54Ω；右側(cè)波形為使用120Ω電阻正確端接電纜獲得的波形。
了解了反射之后，盡可能將匹配電阻與特征阻抗相匹配就非常重要。匹配電阻的位置也非常重要。匹配電阻應(yīng)安裝在電纜的遠(yuǎn)端。
此外，作為一般規(guī)則，應(yīng)在電纜的兩個(gè)末端均安裝匹配電阻。盡管對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在兩端正確安裝匹配電阻是非常關(guān)鍵的，但可以說在某種特殊情況下只需一個(gè)匹配電阻。當(dāng)系統(tǒng)中只有單個(gè)發(fā)送器，并且發(fā)送器位于電纜遠(yuǎn)端時(shí)，在這種情況下，由于信號(hào)總是從發(fā)送器所在的電纜末端發(fā)送信號(hào)，所以不需要在該端安裝匹配電阻。
網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送器和接收器的最大數(shù)量
最簡(jiǎn)單的RS-485網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器組成，盡管這種配置在很多應(yīng)用中很有用，但RS-485允許在一對(duì)雙絞線上掛接多個(gè)接收器和發(fā)送器，具有更大靈活性2。允許的發(fā)送器和接收器最大數(shù)量取決于每片器件對(duì)系統(tǒng)形成的負(fù)載。理想情況下，所有接收器和停止發(fā)送的發(fā)送器的阻抗無限大，不會(huì)造成系統(tǒng)過載。但在實(shí)際應(yīng)用中并不是這種情況。連接至網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)接收器和所有停止發(fā)送的發(fā)送器都將增加負(fù)載。
為幫助RS-485網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者確定系統(tǒng)中可增加多少器件，創(chuàng)造一個(gè)稱為“單位負(fù)載”的假想單位。連接至RS-485網(wǎng)絡(luò)的所有器件都應(yīng)特征化為單位負(fù)載的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)。其中兩個(gè)例子是MAX3485(規(guī)定為1個(gè)單位負(fù)載)和MAX487(規(guī)定為1/4個(gè)單位負(fù)載)。假設(shè)電纜的特征阻抗為120Ω，正確端接，那么一對(duì)雙絞線上允許的最大單位負(fù)載數(shù)量為32。在上例中，意味著單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上可掛接最多32片MAX3485或最多128片MAX487。
失效保護(hù)偏置電阻
輸入介于-200mV和+200mV之間時(shí)，接收器輸出“無定義”。有四種常見故障條件會(huì)造成接收器輸出無定義，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤：
● 系統(tǒng)中的所有發(fā)送器關(guān)斷
● 接收器未連接至電纜
● 電纜開路
● 電纜短路
利用失效保護(hù)偏置，當(dāng)發(fā)生以上條件之一時(shí)，確保接收器的輸出為確定狀態(tài)。失效保護(hù)偏置包括同相線上的上拉電阻和反相線上的下拉電阻。偏置正確時(shí)，如果發(fā)生任意故障條件，接收器將輸出有效高電平。這些失效保護(hù)偏置電阻應(yīng)安裝在傳輸線的接收器端。
ADI的MAX13080和MAX3535家族收發(fā)器不需要失效保護(hù)偏置電阻，因?yàn)槠骷呀?jīng)集成真正的失效保護(hù)功能。真正的失效保護(hù)功能中，接收器門限范圍為-50mV至-200mV，因此無需失效保護(hù)偏置電阻，同時(shí)完全符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)。這些器件確保接收器輸入為0V時(shí)產(chǎn)生邏輯“高”電平輸出。此外，這種設(shè)計(jì)保證在線路開路或短路條件下，接收器輸出狀態(tài)是確定的。
正確網(wǎng)絡(luò)示例
了解以上信息后，我們就可以設(shè)計(jì)一些RS-485網(wǎng)絡(luò)。以下為幾個(gè)例子。
一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器
最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器(圖6)。本例中，匹配電阻位于電纜的發(fā)送器端。盡管本例中沒必要，但設(shè)計(jì)兩個(gè)匹配電阻是一種好習(xí)慣。這允許發(fā)送器移動(dòng)到遠(yuǎn)端之外的其它位置，并且允許在必要時(shí)將更多發(fā)送器增加至網(wǎng)絡(luò)。
圖6. 一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。
一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器
圖7所示為一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的網(wǎng)絡(luò)。本例中，使雙絞線到接收器的距離盡量短是非常必要的。
圖7. 一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。
兩個(gè)收發(fā)器
圖8所示為兩個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。
圖8. 兩個(gè)收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。
多個(gè)收發(fā)器
圖9所示為多個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。與圖7所示的一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器網(wǎng)絡(luò)一樣，使雙絞線到接收器的距離盡量短非常必要。
圖9. 多個(gè)收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。
不正確網(wǎng)絡(luò)示例
以下是系統(tǒng)配置不正確的例子。每個(gè)示例中給出了從設(shè)計(jì)不正確的網(wǎng)絡(luò)中獲得的波形，并與正確系統(tǒng)的波形進(jìn)行比較。波形是從A點(diǎn)和B點(diǎn)以差分形式(A-B)測(cè)得的。
未端接的網(wǎng)絡(luò)
本例中，雙絞線的末端未安裝匹配電阻。信號(hào)沿連接線傳輸時(shí)，在電纜末端遇到開路。這就形成阻抗不匹配，產(chǎn)生發(fā)射。在開路情況下(下圖所示)，所有能量被反射回源端，造成波形嚴(yán)重失真。
圖10. 未端接RS-485網(wǎng)絡(luò)(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)。
錯(cuò)誤的端接位置
圖11中安裝了匹配電阻，但并沒有安置在電纜的最遠(yuǎn)端。信號(hào)沿連接線傳輸時(shí)，遇到兩處阻抗不匹配。首先發(fā)生在匹配電阻處。即使電阻與電纜的特征阻抗相匹配，但電阻之后仍然有電纜。之后的電纜造成電阻不匹配，進(jìn)而引起反射。第二次不匹配發(fā)生在未端接電纜的末端，造成進(jìn)一步反射。
圖11. 匹配電阻位置錯(cuò)誤的RS-485網(wǎng)絡(luò)(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)。
多根電纜
圖12所示的布局中存在多種問題。RS-485驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)目的是驅(qū)動(dòng)單對(duì)、正確端接的雙絞線。本例中，發(fā)送器驅(qū)動(dòng)4對(duì)并聯(lián)的雙絞線。這意味著不能保證要求的最低邏輯電平。除負(fù)載大之外，多根電纜的連接點(diǎn)存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味著反射，進(jìn)而造成信號(hào)失真。
圖12. 不正確使用多對(duì)雙絞線的RS-485網(wǎng)絡(luò)。
分支過長(zhǎng)
圖13中，電纜端接正確，發(fā)送器僅驅(qū)動(dòng)一對(duì)雙絞線。然而，接收器的連接點(diǎn)(分支)過長(zhǎng)。長(zhǎng)分支造成明顯的阻抗不匹配，進(jìn)而引起反射。所有分支應(yīng)保證盡量短。
圖13. 分支長(zhǎng)達(dá)10英尺的RS-485網(wǎng)絡(luò)(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及短分支獲得的波形(右圖)。
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