RS-485產(chǎn)業(yè)接口設(shè)計應(yīng)用指南

作為上世紀(jì)80年代早期批準(zhǔn)的一個平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，RS-485似乎已成為產(chǎn)業(yè)界永不過期的接口標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于它的文獻(xiàn)有很多，但對于很少接觸接口設(shè)計的系統(tǒng)工程師而言，如此海量的文獻(xiàn)就有些讓人吃不消了。

本文旨在討論RS-485標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，為初接觸它的設(shè)計師提供進(jìn)門指南。研究文末參考的一些附加應(yīng)用筆記可進(jìn)一步幫助設(shè)計師在最短的時間內(nèi)完成一套可靠的數(shù)傳設(shè)計。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)的用途

RS-485只定義了用于平衡多點傳輸線的驅(qū)動器和接收器的電特性，因此很多更高層標(biāo)準(zhǔn)都將其作為物理層引用。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

總線節(jié)點以菊花鏈或總線拓?fù)浞绞铰?lián)網(wǎng)。(見圖1)也就是說，每個節(jié)點都通過很短的線頭連接到主線纜。該接口總線通常設(shè)計為用于半雙工傳輸，也就是說它只用一對信號線，驅(qū)動數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)只能在不同時刻出現(xiàn)在信號線上。

圖1：RS-485總線結(jié)構(gòu)(左)與半雙工總線結(jié)構(gòu)(右)。

這就需要通過方向控制信號(例如驅(qū)動器/接收器使能信號)控制節(jié)點操縱的協(xié)議，以確保任何時刻總線上都只能有一個驅(qū)動器在活動，而必須避免多個驅(qū)動器同時訪問總線導(dǎo)致總線競爭。

信號電平

RS-485驅(qū)動器必須在54的負(fù)載上提供最小1.5V的差分輸出，而RS-485接收器則必須能檢測到最小為200mv的差分輸進(jìn)(見圖2)。這兩個值為可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了足夠的裕度，即便信號經(jīng)過線纜和連接器發(fā)生嚴(yán)重衰減時亦如此。而穩(wěn)健性正是RS-485適用于噪聲環(huán)境的長間隔聯(lián)網(wǎng)的主要原因。

圖2：RS-485規(guī)定的最小總線信號電平。

線纜類型

在雙絞線上傳送差分信號為RS-485應(yīng)用帶來了很大好處。這是由于外部噪聲源產(chǎn)生的噪聲總是等量耦合進(jìn)兩根信號線中，屬于共模噪聲，而這能在差分接收器的輸進(jìn)處就被抑制掉。

產(chǎn)業(yè)用RS-485線纜是特性阻抗為120和22AWG的塑封非屏蔽雙絞線。圖3所示為一對用于半雙工網(wǎng)絡(luò)的UTP線纜的橫截面。

圖3：RS-485通訊線纜示例。

為了保持網(wǎng)絡(luò)的電特性，除了網(wǎng)絡(luò)線纜的連接之外，印制電路板的布線和RS-485設(shè)備連接器上的管腳分配需保持兩根信號線之間的間隔均等且足夠靠近。

總線端接與線頭長度

數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)進(jìn)行端接，而且線頭應(yīng)盡可能短，以避免傳輸線上發(fā)生信號反射。良好的端接要求終端電阻RT與傳輸線線纜的特征阻抗Z0匹配。RS-485建議采用Z0為120的線纜，因此通常每根線纜末端都采用120的電阻進(jìn)行端接。

圖4：利用共模噪聲濾波器對RS-485進(jìn)行端接。

噪聲環(huán)境下的應(yīng)用往往用兩個RC低通濾波器替換這些120的電阻，以增強對共模噪聲的濾波(見圖4)。值得留意的是，兩個濾波器的電阻值應(yīng)相等(最好采用精密電阻)以確保兩個濾波用具有相同的滾降頻率。電阻容差過大會導(dǎo)致濾波器轉(zhuǎn)角頻率出現(xiàn)偏差，而導(dǎo)致共模噪聲轉(zhuǎn)換為差模噪聲，使接收器的抗噪性能降低。

線頭的電長度(即收發(fā)器與線纜干線之間的間隔)應(yīng)小于驅(qū)動器輸進(jìn)信號上升時間的1/10。表1列出了圖4中不同驅(qū)動信號上升時間對應(yīng)的最大線纜線頭長度。

表1：不同信號上升時間下的線頭長度和未端接線纜長度。