RS-485串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議及其應(yīng)用

概述

串行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議從RS-232到千兆位以太網(wǎng)，雖然每種協(xié)議都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域，但任何情況下我們都必須考慮成本和物理層(PHY)性能。本文主要介紹RS-485協(xié)議及該協(xié)議所適合的應(yīng)用。同時(shí)給出了根據(jù)電纜長度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及元件選擇來優(yōu)化數(shù)據(jù)速率的方法。

傳輸協(xié)議

什么是RS-485？Profibus又是什么？與其它串行協(xié)議相比，它們的性能如何？適用于哪些應(yīng)用？為了回答這些問題，我們對RS-485物理層(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能進(jìn)行了總體比較[1] (本文中的RS表示ANSI EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn))。

RS-232是一個(gè)最初用于調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)的通訊標(biāo)準(zhǔn)，提供單端20kbps的波特率，后來速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術(shù)指標(biāo)包括：標(biāo)稱±5V發(fā)送電平、±3V接收電平(間隔/符號)、2V共模抑制、2200pF最大電纜負(fù)載電容、300最大驅(qū)動(dòng)器輸出電阻、3k最小接收器(負(fù)載)阻抗、100英尺(典型值)最大電纜長度。RS-232只用于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)，不能用于多點(diǎn)通信系統(tǒng)，所有RS-232系統(tǒng)都必須遵從這些限制。

RS-422是單向、全雙工通信協(xié)議，適合嘈雜的工業(yè)環(huán)境。RS-422規(guī)范允許單個(gè)驅(qū)動(dòng)器與多個(gè)接收器通信，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，速率最高可達(dá)50Mbps。接收器共模范圍為±7V，驅(qū)動(dòng)器輸出電阻最大值為100，接收器輸入阻抗可低至4k。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)

RS-485是雙向、半雙工通信協(xié)議，允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器掛接在總線上，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都能夠脫離總線。該規(guī)范滿足所有RS-422的要求，而且比RS-422穩(wěn)定性更強(qiáng)。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-7V至+12V)。

接收器輸入靈敏度為±200mV，這就意味著若要識別符號或間隔狀態(tài)，接收端電壓必須高于+200mV或低于-200mV。最小接收器輸入阻抗為12k,驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為±1.5V (最小值)、±5V (最大值)。

驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載，即允許總線上并聯(lián)32個(gè)12k的接收器。對于輸入阻抗更高的接收器，一條總線上允許連接的單位負(fù)載數(shù)也較高。RS-485接收器可隨意組合，連接至同一總線，但要保證這些電路的實(shí)際并聯(lián)阻抗不高于32個(gè)單位負(fù)載(375)。

采用典型的24AWG雙絞線時(shí)，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗的最大值為54，即32個(gè)單位負(fù)載并聯(lián)2個(gè)120終端匹配電阻。RS-485已經(jīng)成為POS、工業(yè)以及電信應(yīng)用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實(shí)現(xiàn)長電纜、嘈雜環(huán)境(如工廠車間)下的數(shù)據(jù)傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線上掛接更多器件。

Profibus和Fieldbus[2]總線主要用于工業(yè)設(shè)備，是RS-485總線的擴(kuò)展。用于工業(yè)環(huán)境的傳感器測量、激勵(lì)控制、數(shù)據(jù)采集/顯示以及過程控制系統(tǒng)與傳感器、激勵(lì)源網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。

注意：老式或現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備布線架構(gòu)比較復(fù)雜，不可替換。

Profibus和Fieldbus是對系統(tǒng)的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協(xié)議的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。Profibus與Fieldbus存在細(xì)微的差異，Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓，54的負(fù)載電阻；Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓，54的負(fù)載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps，F(xiàn)ieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應(yīng)用對擺率和電容容限要求比較嚴(yán)格。

最適合的應(yīng)用領(lǐng)域？

RS-232：用于與調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)之間的通信。最大電纜長度為100英尺(典型值)。

RS-422：適用于單主機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制等。

RS-485：適用于多主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器工業(yè)環(huán)境。其典型應(yīng)用與RS-422相似，包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制。

哪些因素限制了RS-485的數(shù)據(jù)速率？

在指定的傳輸距離下，下列因素限制了傳輸速率：

電纜長度：在特定頻率下，信號強(qiáng)度會隨著電纜長度而衰減。電纜架構(gòu)：5類24AWG雙絞線是RS-485系統(tǒng)最常用的電纜，屏蔽電纜可大大增強(qiáng)噪聲抑制能力，提高了一定距離下的數(shù)據(jù)傳輸速率。電纜特性阻抗：分布電容和分布電感會降低信號的邊沿速度，從而降低噪聲裕量、補(bǔ)償“眼圖模板”特性。分布電阻直接導(dǎo)致信號電平的衰減。驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗：阻抗過高會限制驅(qū)動(dòng)能力。接收器輸入阻抗：阻抗過低會限制與驅(qū)動(dòng)器通信的接收器數(shù)量。終端匹配：長電纜可看作傳輸線。電纜上應(yīng)接阻值等于電纜特性阻抗的終端匹配電阻，可以降低信號反射，并提高數(shù)據(jù)速率。噪聲裕量：越大越好。驅(qū)動(dòng)器擺率：降低邊沿速率(降低信號擺率)允許采用較長的電纜進(jìn)行通信。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

了解了以上相關(guān)的背景知識，接下來我們研究一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，如圖1所示。圖中所示電纜是RS-485系統(tǒng)最為常用的一種：EIA/TIA/ANSI 568 5類雙絞線。在長度為300英尺至900英尺的電纜上可以獲得的數(shù)據(jù)速率為1Mbps至35Mbps。

圖1. 測試裝置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常從兩個(gè)不同廠商選擇驅(qū)動(dòng)器和接收器，多數(shù)設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的是RS-485驅(qū)動(dòng)器的傳輸距離和速度。Maxim驅(qū)動(dòng)器(這里指MAX3469)與其它制造商的驅(qū)動(dòng)器性能比較如圖2、圖3所示。

圖2. 在特定比特率、電纜長度下的抖動(dòng)特性，抖動(dòng)是在±100mV差分信號下測量的

圖3. 在特定比特率、電纜長度下的抖動(dòng)指標(biāo)，抖動(dòng)是在0V差分信號下測量的

通過觀察驅(qū)動(dòng)器的差分輸出信號的完整性，利用示波器確定80mV與-400mV之間的翻轉(zhuǎn)門限(由于接收器具有200mV至-200mV的輸入范圍和噪聲裕量，因此選取這一門限范圍)。然后，當(dāng)脈沖(比特)開始“傳送”時(shí)，用眼圖確定失真度、噪聲以及碼間干擾(ISI)。

ISI指標(biāo)限制了比特率，以保證系統(tǒng)能夠在脈沖之間識別出傳輸數(shù)據(jù)。對圖1電路的測試結(jié)果表明翻轉(zhuǎn)門限與眼圖模板之間具有相關(guān)性。該眼圖模板存在50%的抖動(dòng)，按照National Semiconductor的應(yīng)用筆記#977[3]所介紹的方法進(jìn)行測量。測量0V差分信號和±100mV差分信號下的抖動(dòng)，得到圖4和圖5所示數(shù)據(jù)。

圖4. Maxim的MAX3469與其它RS-485驅(qū)動(dòng)器件的眼圖對比[4]

圖5. MAX3469的眼圖

對于一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)，從±100mV差分信號(圖4)或0V差分信號(圖5)下的測試結(jié)果可以看出比特率與電纜長度的關(guān)系。+100mV和-100mV門限能夠正確切換差分信號大于200mV的信號，因此，該門限值可確保接收器正確接收數(shù)據(jù)(圖5數(shù)據(jù)僅適用于可在0V差分輸入下切換的理想接收器)。

眼圖和故障模式

采用340英尺的5類電纜，圖2給出了39Mbps傳輸速率下的驅(qū)動(dòng)器輸出眼圖，圖中，信號從“眼”的中間穿過 - 這種情況表明可能出現(xiàn)誤碼。然而，在相同數(shù)據(jù)速率下，Maxim公司的器件不會出現(xiàn)這種情況(圖3)。Maxim的收發(fā)器具有對稱的輸出邊沿和較低的輸入電容，性能良好。

采用上述測試對兩款驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行比較。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高、電纜較長時(shí)，Maxim驅(qū)動(dòng)器的性能更出色。圖5給出點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中Maxim器件的傳輸速率和距離的估計(jì)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，所產(chǎn)生的誤碼大致符合50%抖動(dòng)極限的要求。

各方研究數(shù)據(jù)

在工業(yè)領(lǐng)域，通?？山邮艿膫鬏斁嚯x和數(shù)據(jù)速率的最大值分別為4000英尺和10Mbps，當(dāng)然這兩個(gè)值不能同時(shí)滿足。然而，利用最新器件和精細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可在較長的電纜下實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)吞吐率。

預(yù)加重[5]是一種改善數(shù)據(jù)速率與距離間關(guān)系的技術(shù)，可用于RS-485通信(圖6)。采用1700英尺電纜，工作在1Mbps固定數(shù)據(jù)速率，沒有預(yù)加重驅(qū)動(dòng)器或均衡接收器的RS-485收發(fā)器通常具有10%的抖動(dòng)。在相同速率下，增加驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重可使距離加倍，達(dá)到3400英尺，而且不會提高抖動(dòng)。同樣，距離一定時(shí)采用預(yù)加重能提高數(shù)據(jù)速率。速率為400kbps，電纜長度為4000英尺時(shí)，無預(yù)加重的驅(qū)動(dòng)器通常具有10%的抖動(dòng)。而采用預(yù)加重可使該距離下的傳輸速率提升至800kbps。

圖6. 數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系圖

另一種估算可靠傳輸?shù)淖畲箅娎|長度的方法是：利用5類電纜制造商提供的幅度衰減與頻率的關(guān)系表。根據(jù)通用規(guī)則，電纜工作時(shí)最大允許的信號衰減是-6dBV。該數(shù)值結(jié)合廠家提供的衰減數(shù)據(jù)，計(jì)算出給定頻率下的最大電纜長度。

應(yīng)用技巧

RS-485收發(fā)器具有多種改善系統(tǒng)性能的特性：

預(yù)加重(上文所述)：降低碼間干擾降低接收器單位負(fù)載：低負(fù)載器件可低至1/8單位負(fù)載，允許總線上掛接最多256個(gè)器件。這種器件還可降低總線負(fù)載，從而允許較長的電纜和較高的傳輸速率。高速器件：目前可提供數(shù)據(jù)速率高達(dá)52Mbps的驅(qū)動(dòng)器，這種高速器件須特別注意保持低傳輸延遲和低偏差。ESD保護(hù)：ESD保護(hù)不會提高數(shù)據(jù)速率，但會改善系統(tǒng)工作或數(shù)據(jù)速率為0 (開路)時(shí)的可靠性。目前能夠提供±15kV的內(nèi)置ESD保護(hù)。正確的接線[6]：RS-485用于差分傳輸，除地線外還需要兩條信號線來傳輸數(shù)據(jù)(通常為24 AWG雙絞線)。這兩條信號線傳送極性相反的信號，大大減少了EMI輻射和EMI干擾問題。電纜的特性阻抗一般為120，這也是電纜末端終端匹配電阻的阻值 ― 目的在于降低反射和其它線路的影響。圖7、圖8給出了正確的系統(tǒng)連接。

圖7. 單發(fā)/單收網(wǎng)絡(luò)

圖8. 多機(jī)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)

結(jié)論

綜上所述，RS-485網(wǎng)絡(luò)可在噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要對數(shù)據(jù)速率、電纜長度進(jìn)行折衷考慮，能夠在幾百米長的電纜上實(shí)現(xiàn)高于50Mbps的數(shù)據(jù)速率，而不需使用任何中繼器。