RS-485之信號反射與終端電阻

RS-485總線具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，但各位工程師在組建RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時，為提升整個網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，想必會經(jīng)常會遇到一個問題：需不需要加終端電阻呢?本文將為你解答。

1、終端電阻的作用

對于RS-485總線，終端電阻主要是為了匹配通信線的特性阻抗，防止信號反射，提高信號質(zhì)量。

在組建RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時，通常使用特性阻抗為120Ω的屏蔽雙絞線，由于RS-485收發(fā)器輸入阻抗一般較高(例如RSM485ECHT輸入阻抗為96kΩ，最多可連接256個節(jié)點)，在信號傳輸?shù)娇偩€末端時會由于受到的瞬時阻抗發(fā)生突變(以RSM485ECHT為例，阻抗由120Ω變?yōu)?6kΩ)，導致信號發(fā)生反射，影響信號的質(zhì)量。RSM485ECHT在1200m，500kbps通信速率的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 1和圖 2所示，終端電阻明顯改善了信號的質(zhì)量。

圖1 RSM485ECHT 1200m 500kbps不加終端電阻

圖2 RSM485ECHT 1200m 500kbps 加終端電阻

2、終端電阻帶來的問題

終端電阻雖然可以提高信號質(zhì)量，但還具有以下幾個問題：

1)降低了驅(qū)動信號的幅值

RS-485總線上的負載越大，RS-485收發(fā)器輸出差分電壓幅值越低，RSM485ECHT在5m，500kbps的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 3和圖 4所示，可以看出驅(qū)動信號在增加終端電阻后降低了2V左右。

圖3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加終端

圖4 RSM485ECHT 5m 500kbps 加終端

2)增大了通信線上的壓降

增加終端電阻使通信線纜上的電流增大，產(chǎn)生了較大的壓差，降低了接收端的信號幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信號波形如圖 5和圖 6所示(0.75mm2通信線)，末端信號與首端信號相比下降了0.7V左右。

圖5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 首端波形

圖6 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 末端波形

3)增大了收發(fā)器的功耗

增加終端電阻對于接收狀態(tài)時的工作電流影響不大，但會大大增加驅(qū)動狀態(tài)時的工作電流。以RSM485ECHT為例，RSM485ECHT處于接收狀態(tài)時工作電流為20mA左右，在驅(qū)動狀態(tài)不加終端電阻時工作電流為27mA左右，在驅(qū)動狀態(tài)加終端電阻時工作電流為83mA左右，可以看出終端電阻大大增加了RS-485收發(fā)器的功耗，對于有功耗要求的應(yīng)用場合，應(yīng)謹慎使用終端電阻。

4)降低總線空閑時的差分電壓

如圖 7所示為兩個RSM485ECHT通信示意圖。

圖7 RSM485ECHT通信等效示意圖

當兩個模塊都處于接收狀態(tài)時，可以根據(jù)基爾霍夫電流定律對節(jié)點A和節(jié)點B列出下列公式：

其中：RPUD為RSM485ECHT內(nèi)置上下拉電阻，120kΩ;RIN為RSM485ECHT輸入阻抗，96kΩ;根據(jù)上述公式可以計算AB之間的差分電壓為：

由于RSM485ECHT的門限電平為-200mV～-40mV,所以在上述情況下，模塊仍然輸出高電平，保證總線空閑時不會誤接收數(shù)據(jù)。但對于門限電平為-200mV～+200mV的RS-485收發(fā)器，輸出電平為不確定狀態(tài)，此時有可能誤接收數(shù)據(jù)。

3、如何解決增加終端電阻后空閑狀態(tài)的問題?

對于空閑狀態(tài)的問題有兩個解決方法：

1)使用類似RSM485ECHT的模塊(門限電平為-200mV～-40mV)，當RS-485總線的差分電壓大于-40mV時RS-485收發(fā)器的輸出即為高電平。

2)使用RSM485PCHT或RSM485PHT等帶有輸出隔離電源的模塊，可以通過在外部增加較小的上下拉電阻將RS-485總線的空閑狀態(tài)時的電壓拉到+200mV以上(一般要留有100mV或200mV以上的裕量)，保證空閑時RS-485總線差分電壓不處于門限電平范圍內(nèi)，但上下拉電阻值不能太小，一般總線上拉(或下拉)并聯(lián)值要大于375Ω。

4、什么時候需要加終端電阻?

1)通信速度低或者通信距離近的情況下建議不加終端電阻

通信速度低或者通信距離近的情況下，信號反射對通信信號的影響不大，而且不加終端電阻可以大大降低功耗，并且通過加較大上下拉電阻值即可保證RS-485總線空閑時具有較高的差分電壓幅值，提高了通信的可靠性。

2)通信距離較長且通信速度較快，對信號質(zhì)量要求較高的情況

此時可以增加終端電阻，防止阻抗突變引起的信號反射問題，提高信號質(zhì)量，但應(yīng)確保在總線空閑時總線的差分電壓不處于門限電平范圍內(nèi)。

3)對功耗有要求且通信距離較長的情況

反射信號在總線上來回反彈，反射信號會逐漸消耗掉。對于串口通信，MCU一般在一個位的中間時間對信號進行采樣，由于低通信速度的情況下，每一個位的時間較長，所以在到達采樣點時反射信號已被消耗掉，對通信已無影響。RSM485ECHT在1200m 9600bps不加終端電阻首端和末端的波形如圖8和圖9所示，可以看出反射信號在到達每一個位中間前就已經(jīng)被消耗掉了。

所以對RS-485的收發(fā)器的功耗有較高要求且通信距離較長的應(yīng)用，應(yīng)適當降低通信的速度。

圖8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 首端波形

圖9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 末端波形