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RS-485 系統(tǒng)設計:從原理到實踐的完整指南

出處:網(wǎng)絡整理 發(fā)布于:2025-05-12 14:45:34

  RS - 485 具有諸多顯著特性。它采用平衡接口,多點可采用單一 5V 電源,總線共模范圍在 –7V 至 +12V 之間,多達 32 個單位負載,數(shù)據(jù)速率可達 10Mbps(距離為 40 英尺),電纜長度能達到 4000 英尺(速率為 100kbps)。這些特性使得 RS - 485 在工業(yè)通信等領域得到了廣泛應用。

  在網(wǎng)絡拓撲方面,RS - 485 標準建議使用菊花鏈連接其節(jié)點,也就是合用線或總線拓撲。在這種拓撲結(jié)構中,所使用的驅(qū)動器、接收器和收發(fā)器通過短網(wǎng)存根接入主干線。接口總線可設計用于全雙工或半雙工傳輸。

全雙工實現(xiàn)需要兩個信號對(四根電線)以及全雙工收發(fā)器,其具有用于發(fā)送器和接收器的單獨總線訪問線路,允許節(jié)點在一個對上發(fā)送數(shù)據(jù),同時在另一個對上接收數(shù)據(jù)。而半雙工模式僅使用一對信號,要求在不同的時間驅(qū)動和接收數(shù)據(jù)。兩種實現(xiàn)方式都需要通過方向控制信號(例如驅(qū)動器 / 接收器使能信號)對所有節(jié)點進行控制,以確保在任何時候總線上只有一個驅(qū)動器處于工作狀態(tài),避免總線爭用。

  信號電平方面,符合 RS - 485 標準的驅(qū)動器可在 54 Ω 負載上提供不小于 1.5V 的差分輸出,而符合該標準的接收器可檢測到低至 200mV 的差分輸入。即使在電纜和連接器的信號嚴重衰減的情況下,這兩個值仍能為高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸提供充足的余量,這也是 RS - 485 非常適合在嘈雜環(huán)境中進行長距離聯(lián)網(wǎng)的主要原因。

  電纜類型上,在雙絞線上傳輸差分信號對 RS - 485 應用是有利的,因為外部干擾源會以共模方式均等的耦合到兩根信號線上,這些噪聲會被差分接收器過濾掉。工業(yè) RS - 485 電纜分為有保護套、無保護套、雙絞線、非屏蔽雙絞線,符合 22 - 24AWG 線規(guī)的電纜特性阻抗為 120Ω。圖 5 - 1 所示為四線對電纜的橫截面,這種非屏蔽雙絞線通常用于 2 個全雙工網(wǎng)絡。兩對和單對版本的類似電纜可用于低成本的半雙工系統(tǒng)設計。

此外,RS - 485 標準強制設備的印制電路板布局和連接器要與網(wǎng)絡的電器特性保持一致,可以通過使印制電路板上的兩根信號線盡可能靠近并等長來實現(xiàn)。

  為避免信號反射,數(shù)據(jù)傳輸線應始終端接,并且存根應盡可能的短。正確的端接需要終端電阻 RT 和傳輸電纜的特性阻抗 Z0 匹配。RS - 485 標準建議采用 Z0 = 120Ω 的電纜,因此電纜干線通常與 120Ω 電阻端接,線纜的末尾處各一個。在噪聲環(huán)境下的應用通常將 120 Ω 電阻替換為兩個 60 Ω 電阻,組成一個低通濾波器,用于提供額外的共模噪聲濾除能力。存根的電氣長度(收發(fā)器與電纜干線之間的距離)應小于驅(qū)動器輸出上升時間的 1/10 ,并通過特定公式得出。上升時間長的驅(qū)動器非常適合那些需要長存根長度和減小器件產(chǎn)生的 EMI 的應用。
  失效保護使得接收器在缺少輸入信號時有能力輸出一個確定的狀態(tài)。有三種可能的原因會導致信號丟失 (LOS):開路(線纜中斷或者收發(fā)器從總線斷開)、短路(差分對的導線因絕緣層失效而接觸在一起)、總線空閑(所有總線驅(qū)動器均未處于活動狀態(tài)時)。現(xiàn)在的收發(fā)器內(nèi)部都包含一個偏置電路,可以對開路、短路和總線空閑進行保護,但在干擾環(huán)境中,要增加外部失效保護電路以增加噪聲容限。
  驅(qū)動器的輸出取決于其必須提供給負載的電流,因此在總線上增加收發(fā)器和失效防護電路會增加所需的總負載電流。為了估算可能的總線負載數(shù),RS - 485 指定了一個單位負載 (UL) 的假設項,現(xiàn)如今使用的收發(fā)器通常可以減少單位負載,從而在總線上連接更多的收發(fā)器。
  在給定數(shù)據(jù)速率下,總線長度受到傳輸線損耗和信號抖動的限制。當波特周期的抖動為 10% 或以上時,數(shù)據(jù)可靠性會急劇下降。RS - 485 總線是一種分布式參數(shù)電路,其電氣特性主要由沿物理介質(zhì)分布的電感和電容決定。要確保從驅(qū)動器輸出的個信號傳輸?shù)浇邮掌鬏斎攵藭r電壓電平仍有效,需要總線上任何一處的負載阻抗 Z' > 0.4 x Z0 ,這可以通過在總線節(jié)點之間保持距離 d 來實現(xiàn)。
  設計遠程數(shù)據(jù)鏈路時,設計人員必須假定存在很大的接地電勢差 (GPD)。這些電壓 Vn 會以共模干擾的形式疊加到傳輸線上。為了建立一個強健的數(shù)據(jù)鏈路,建議采用信號及供電電源隔離的方法,通過電源隔離器和信號隔離器防止電流在遠程系統(tǒng)地之間流動,避免產(chǎn)生環(huán)路電流。
關鍵詞:RS-485 系統(tǒng)  

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