串行數據通信的協(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)議所適合的應用。同時(shí)給出了根據電纜長(cháng)度、系統設計以及元件選擇來(lái)優(yōu)化數據速率的方法。

 

 

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? 適用于哪些應用? 為了回答這些問(wèn)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標準)。

 

RS-232是一個(gè)最初用于調制解調器、打印機及其它PC外設的通訊標準，提供單端20kbps的波特率，后來(lái)速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術(shù)指標包括：標稱(chēng)±5V發(fā)送電平、±3V接收電平(間隔/符號)、2V共模抑制、2200pF最大電纜負載電容、300Ω最大驅動(dòng)器輸出電阻、3kΩ最小接收器(負載)阻抗、100英尺(典型值)最大電纜長(cháng)度。RS-232只用于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統，不能用于多點(diǎn)通信系統，所有RS-232系統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規范允許單個(gè)驅動(dòng)器與多個(gè)接收器通信，數據信號采用差分傳輸方式，速率最高可達50Mbps。接收器共模范圍為±7V，驅動(dòng)器輸出電阻最大值為100Ω，接收器輸入阻抗可低至4kΩ。

 

 

RS-485是雙向、半雙工通信協(xié)議，允許多個(gè)驅動(dòng)器和接收器掛接在總線(xiàn)上，其中每個(gè)驅動(dòng)器都能夠脫離總線(xiàn)。該規范滿(mǎn)足所有RS-422的要求，而且比RS-422穩定性更強。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(zhù)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12kΩ，驅動(dòng)器輸出電壓為±1.5V (最小值)、±5V (最大值)。

 

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

 

采用典型的24AWG雙絞線(xiàn)時(shí)，驅動(dòng)器負載阻抗的最大值為54Ω，即32個(gè)單位負載并聯(lián)2個(gè)120Ω終端匹配電阻。RS-485已經(jīng)成為POS、工業(yè)以及電信應用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實(shí)現長(cháng)電纜、嘈雜環(huán)境(如工廠(chǎng)車(chē)間)下的數據傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線(xiàn)上掛接更多器件。

 

Profibus和Fieldbus[2]總線(xiàn)主要用于工業(yè)設備，是RS-485總線(xiàn)的擴展。用于工業(yè)環(huán)境的傳感器測量、激勵控制、數據采集/顯示以及過(guò)程控制系統與傳感器、激勵源網(wǎng)絡(luò )之間的數據通信。 

 

注意：老式或現有的工業(yè)設備布線(xiàn)架構比較復雜，不可替換。

 

Profibus和Fieldbus是對系統的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協(xié)議的物理層接口標準。Profibus與Fieldbus存在細微的差異，Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓，54Ω的負載電阻；Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓，54Ω的負載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps，Fieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應用對擺率和電容容限要求比較嚴格。

 

 

 

 

在指定的傳輸距離下，下列因素限制了傳輸速率：

 

 

 

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

 

圖1. 測試裝置

 

系統設計人員經(jīng)常從兩個(gè)不同廠(chǎng)商選擇驅動(dòng)器和接收器，多數設計人員最關(guān)注的是RS-485驅動(dòng)器的傳輸距離和速度。Maxim驅動(dòng)器(這里指MAX3469)與其它制造商的驅動(dòng)器性能比較如圖2、圖3所示。

 

[3]

圖2. Maxim的MAX3469與其它RS-485驅動(dòng)器件的眼圖對比[3]

 

圖3. MAX3469的眼圖

 

通過(guò)觀(guān)察驅動(dòng)器的差分輸出信號的完整性，利用示波器確定80mV與-400mV之間的翻轉門(mén)限(由于接收器具有20mV至-200mV的輸入范圍和噪聲裕量，因此選取這一門(mén)限范圍)。然后，當脈沖(比特)開(kāi)始“傳送”時(shí)，用眼圖確定失真度、噪聲以及碼間干擾(ISI)。

 

ISI指標限制了比特率，以保證系統能夠在脈沖之間識別出傳輸數據。對圖1電路的測試結果表明翻轉門(mén)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的應用筆記977[4]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所示數據。

 

圖4. 在特定比特率、電纜長(cháng)度下的抖動(dòng)特性，抖動(dòng)是在±100mV差分信號下測量的

 

圖5. 在特定比特率、電纜長(cháng)度下的抖動(dòng)指標，抖動(dòng)是在0V差分信號下測量的

 

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

 

 

采用340英尺的5類(lèi)電纜，圖2給出了39Mbps傳輸速率下的驅動(dòng)器輸出眼圖，圖中，信號從“眼”的中間穿過(guò)—這種情況表明可能出現誤碼。然而，在相同數據速率下，Maxim公司的器件不會(huì )出現這種情況(圖3)。Maxim的收發(fā)器具有對稱(chēng)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動(dòng)器進(jìn)行比較。當數據速率較高、電纜較長(cháng)時(shí)，Maxim驅動(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值。根據經(jīng)驗，所產(chǎn)生的誤碼大致符合50%抖動(dòng)極限的要求。

 

 

在工業(yè)領(lǐng)域，通?？山邮艿膫鬏斁嚯x和數據速率的最大值分別為4000英尺和10Mbps，當然這兩個(gè)值不能同時(shí)滿(mǎn)足。然而，利用最新器件和精細的系統設計，可在較長(cháng)的電纜下實(shí)現較高的數據吞吐率。

 

預加重[5]是一種改善數據速率與距離間關(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固定數據速率，沒(méi)有預加重驅動(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，增加驅動(dòng)器預加重可使距離加倍，達到3400英尺，而且不會(huì )提高抖動(dòng)。同樣，距離一定時(shí)采用預加重能提高數據速率。速率為400kbps，電纜長(cháng)度為4000英尺時(shí)，無(wú)預加重的驅動(dòng)器通常具有10%的抖動(dòng)。而采用預加重可使該距離下的傳輸速率提升至800kbps。

 

圖6. 數據速率與電纜長(cháng)度的關(guān)系圖

 

另一種估算可靠傳輸的最大電纜長(cháng)度的方法是：利用5類(lèi)電纜制造商提供的幅度衰減與頻率的關(guān)系表。根據通用規則，電纜工作時(shí)最大允許的信號衰減是-6dBV。該數值結合廠(chǎng)家提供的衰減數據，計算出給定頻率下的最大電纜長(cháng)度。

 

 

RS-485收發(fā)器具有多種改善系統性能的特性：

 

 

圖7. 單發(fā)/單收網(wǎng)絡(luò )

 

圖8. 多機收發(fā)網(wǎng)絡(luò )

 

 

綜上所述，RS-485網(wǎng)絡(luò )可在噪聲環(huán)境下實(shí)現可靠的數據傳輸。設計系統時(shí)需要對數據速率、電纜長(cháng)度進(jìn)行折衷考慮，能夠在幾百米長(cháng)的電纜上實(shí)現高于50Mbps的數據速率，而不需使用任何中繼器。

 

 

1.Maxim應用筆記736："RS-485 (TIA/EIA-485-A) Differential Data Transmission System Basics"。

 

2.Maxim應用筆記1833："Using RS-485/RS-422 Transceivers in Fieldbus Networks"。

 

3.Texas Instruments Databook，"Data Transmission Circuits, Vol. 1," 1995/1996, 4-9至4-24, 4-37至4-48。

 

4.National Semiconductor應用筆記977：LVDS Signal Quality: Jitter Measurements Using Eye Patterns Test Report #1。

 

5.更多詳細內容，請參見(jiàn)Maxim的應用筆記643："Pre-emphasis Improves RS-485 Communications"。

 

6.請參見(jiàn)Maxim的應用筆記763："Guidelines for Proper Wiring of an RS-485 (TIA/EIA-485-A) Network"。

 

本文來(lái)源于Maxim。