- RS-485標準簡介
- RS-485網(wǎng)絡配置
- RS-485總線匹配
- RS-485失效保護
- 引出線的連接
- 地線與接地
- 低頻率的共模干擾保護
標準RS-485作為一種多點、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應用最為廣泛的標準通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。正因為此，許多不同領域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如汽車電子、電信設備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制、儀器儀表等等。這項標準得到廣泛接受的另外一個原因是它的通用性。RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。
盡管RS-485標準已被廣泛接受，但是對于它在實際應用中的一些具體問題并沒有得到深入廣泛的認識，甚至存在著種種誤區(qū)，以至于影響到整個系統(tǒng)的性能。本文在回顧RS-485標準的基礎上，重點討論幾個實際應用中常被忽視的問題。
RS-485標準回顧
RS-485標準最初由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983年制訂并發(fā)布，后由TIA-通訊工業(yè)協(xié)會修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過工程師還是習慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來，后者是為彌補RS-232之不足而提出的。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kbps時），并允許在一條平衡線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，為擴展應用范圍，隨后又為其增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，這就是后來的EIA RS-485標準。
RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅動器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標準定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟、并具有相當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS-485接口的主要特點如下：
• 平衡偉輸；
• 多點通信；
• 驅動器輸出電壓（帶載）：≥｜1.5V｜；
• 接收器輸入門限：±200mV；
• -7V至+12V總線共模范圍；
• 最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；
• 最大總線負載：32個單位負載（UL）；
• 最大傳輸速率：10Mbps；
• 最大電纜長度：4000英尺。
網(wǎng)絡配置
RS-485支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡。最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。圖1所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e三種不恰當?shù)木W(wǎng)絡連接盡管在某些情況下（短距離、低速率）仍然可以正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，造成信號質量下降。除此之外還應注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點也會發(fā)生信號的反射。例如，總線的不同區(qū)段采用不同電纜、某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝、或者是有過長分支線引出總線時都會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點?？傊?，應該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。
有關總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)標準并沒有做出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負載為32個單位負載（UL）。每單位負載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當于約12kΩ。為了擴展總線節(jié)點數(shù)，器件生產(chǎn)廠商增大收發(fā)器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節(jié)點數(shù)就可增加至128個，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節(jié)點數(shù)可到256個。
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總線匹配
是否對RS-485總線進行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號轉換速率。UART是在每個數(shù)據(jù)位的中點采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗性的準則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的轉換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。
當考慮終端匹配時，有多種匹配方案可以選擇。最簡單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻（圖2a）。大多數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配（圖2b）。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。除上述兩種外，還有一種采用二極管的匹配方案（圖2c）。這種方案雖未實現(xiàn)真正的"匹配"，但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號，達到改善信號質量的目的。節(jié)能效果顯著。
引出線
RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線，引出線過長時，由于信號在引出線中的反射，也會影響總線上的信號質量。和前面的討論一樣，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉換時間、數(shù)據(jù)速率有關。下面的經(jīng)驗公式可以用來估算引出線的最大長度：
Lmax=（tRISE×0.2m/ns）/10
以MAX483為例，對應于250ns的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為5米。
從以上的分析可以看出，減緩信號的前后沿斜率有利于降低對于總線匹配、引出線長度的要求，改善信號質量，同時，還使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射，因此，有些器件生產(chǎn)廠商在RS-485接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。由此看來，在選擇接口器件時，并不是速率越高越好，應該根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇最低速率的器件。
失效保護
RS-485標準規(guī)定接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時也帶來了一個問題：當總線電壓在±200mV中間時接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個前導"0"觸發(fā)一次接收動作，所以接收器的不定態(tài)可能會使UART錯誤地接收一些數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)誤動作。當總線空閑、開路或短路時都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于200mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不定態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時的問題，為此，有些器件制造商將接收門限移到-200mV/-50mV，巧妙地解決了這個問題。例如Maxim公司為MAX3080系列RS-485接口，不但省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護問題。
地線與接地
電子系統(tǒng)的接地是一個非常關鍵而又常常被忽視的問題，接地處理不當經(jīng)常會導致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于RS-485網(wǎng)絡來講也是一樣，沒有一個合理的接地系統(tǒng)可能會使系統(tǒng)的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，對于接地的要求更為嚴格。有關RS-485網(wǎng)絡的接地問題很少有資料提及，在設計者中也存在著很多誤區(qū)，致使通信可靠性降低、接口損壞率較高。一個典型的錯誤觀點就是認為RS-485通信鏈路不需要信號地，而只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的"A"、"B"端連接起來。這種處理方法在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患，主要有以下兩方面的問題：
圖3:地電位差導致的共模干擾問題
• 共模干擾問題。的確，RS-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應該注意的是，收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V至+12V）的條件下才能正常工作。當共模電壓超出此范圍就會影響通信的可靠，直至損壞接口。如圖3所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口。
• 電磁輻射（EMI）問題。驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如果沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。
因此，盡管是差分傳輸，對于RS-485網(wǎng)絡來講，一條低阻的信號地還是必不可少的。如圖4a所示，一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一對線（非屏蔽雙絞線）、或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認為，可以采取以下三種措施：
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圖4:地線與接地方案
1. 若干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以考慮在接地線上加限流電阻限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電壓升高，但只要控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信（圖4b）；
2. 采用浮地技術，隔斷接地環(huán)路。當共模干擾內(nèi)阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點（例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場儀表）浮置起來（也就是系統(tǒng)的電路地與機殼或大地隔離），這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流（圖4c）；
3. 采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其他方面的考慮，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連（圖4d）。
瞬態(tài)保護
前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。因為引線電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來講，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時間很短。在切換大功率感性負載（電機、變壓器、繼電器等）、閃電等過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。
圖5a所示為隔離保護方案。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便，如Maxim公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可以到2500V。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。
圖5b所示為旁路保護方案。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。
實際應用中可以將二者結合起來靈活運用（圖5c）。隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，而旁路元件保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。
RS-485標準定義了一個極為堅固和可靠的通信鏈路，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但一個真正可靠的RS-485網(wǎng)絡還有賴于合理的應用。合理的網(wǎng)絡布局、信號通道的連續(xù)性、周全的保護措施等，在設計之初就應該有一個總體規(guī)劃。
