【導讀】本文介紹RS-485網(wǎng)絡(luò )的正確連接方法，包括雙絞線(xiàn)布線(xiàn)及正確安裝匹配電阻的建議。列出了正確端接和錯誤端接下的接收器波形。給出了從簡(jiǎn)單的單發(fā)送器/多接收器網(wǎng)絡(luò )到多個(gè)收發(fā)器及多個(gè)分支電路的配置。
本文可以作為連接RS-485網(wǎng)絡(luò )的基本指南。RS-485規范(官方稱(chēng)為T(mén)IA/EIA-485-A)沒(méi)有特別規定應該如何連接RS-485網(wǎng)絡(luò )。盡管如此，規范還是給出了一些指南。這些指南和良好的工程實(shí)踐是本文的基礎。然而，本文提出的建議并不能涵蓋設計網(wǎng)絡(luò )的所有不同方式。
RS-485在多個(gè)位置之間發(fā)送數字信息。數據率可高達10Mbps，有時(shí)候甚至更高。RS-485設計主要用于在較長(cháng)距離內傳輸信息，其能力完全可滿(mǎn)足1000米的距離。RS-485能夠成功實(shí)現的傳輸距離和數據率很大程度上依賴(lài)于系統的接線(xiàn)方法。
連線(xiàn)
RS-485的設計為平衡系統。簡(jiǎn)單地說(shuō)，使用兩根線(xiàn)傳輸信號，沒(méi)有地。
圖1. 平衡系統使用兩根線(xiàn)傳輸數據，沒(méi)有地。
系統之所以稱(chēng)為是平衡的，是因為理想情況下其中一根線(xiàn)上的信號與另一根線(xiàn)上的信號嚴格相反。也就是說(shuō)，如果一根線(xiàn)發(fā)送的為高電平，另一根線(xiàn)將發(fā)送低電平，反之亦然，見(jiàn)圖2。
圖2. 平衡系統中兩根線(xiàn)上的信號嚴格相反。
盡管RS-485可使用多種類(lèi)型的介質(zhì)進(jìn)行成功傳輸，但應使用通常稱(chēng)為“雙絞線(xiàn)”的接線(xiàn)方法。
什么是雙絞線(xiàn)？為什么使用雙絞線(xiàn)？
顧名思義，雙絞線(xiàn)是一對等長(cháng)、纏繞在一起的電線(xiàn)。RS-485兼容的發(fā)送器與雙絞線(xiàn)配合使用可降低設計高速長(cháng)距離網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)主要故障源：輻射EMI和接收EMI。
輻射EMI
如圖3所示，當利用快速變化的邊沿發(fā)送信息時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生高頻成分。由于RS-485能夠以較高數據率進(jìn)行傳輸，快速變化的邊沿就必不可少。
圖3. 125kHz方波及其FFT圖。
快速變化的邊沿中不可避免的高頻成分與長(cháng)連接線(xiàn)相耦合，會(huì )產(chǎn)生輻射EMI。采用雙絞線(xiàn)的平衡系統使系統成為沒(méi)有效率的輻射體，可降低這種影響。其工作原理很簡(jiǎn)單：由于傳輸線(xiàn)上的信號相等、極性相反，每根線(xiàn)上輻射的信號也相當、極性相反。這就存在彼此抵消的效果，意味著(zhù)不存在凈輻射EMI。然而，這種結果基于一個(gè)前提：連接線(xiàn)長(cháng)度嚴格相等、位置嚴格相同。由于兩根線(xiàn)不可能同時(shí)處于相同的位置，所以?xún)筛€(xiàn)應盡量彼此靠近。將兩根線(xiàn)纏繞在一起，之間的距離就非常有限，有助于抵消剩余的EMI。
接收EMI
接收EMI基本上與輻射EMI的問(wèn)題相同，但方向相反。RS-485系統中使用的線(xiàn)纜也作為天線(xiàn)接收有害信號。這些有害信號會(huì )造成有用信號失真，如果足夠嚴重，會(huì )引起數據錯誤。與雙絞線(xiàn)有助于防止輻射EMI的原因相同，雙絞線(xiàn)也有助于降低接收EMI的影響。由于兩根線(xiàn)彼此靠近并纏繞在一起，一根線(xiàn)上接收的噪聲將傾向于與另一個(gè)線(xiàn)上接收的噪聲相同。這種類(lèi)型的噪聲被稱(chēng)為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設計用于檢測彼此極性相反的信號，所以很容易抑制共模噪聲。
雙絞線(xiàn)的特征阻抗
根據電纜的幾何結構以及所用絕緣材料的不同，雙絞線(xiàn)的“特征阻抗”一般由制造商給出。RS-485規范推薦但沒(méi)有特別規定特征阻抗應為120Ω。推薦這一阻抗是RS-485規范中計算最差工作條件負載以及共模電壓范圍所必需的。規范沒(méi)有特別規定該阻抗可能是出于靈活性考慮。如果因為某種原因不能使用120Ω電纜，建議重新計算最差工作條件負載(可使用的發(fā)送器和接收器數量)和最差工作條件共模電壓范圍，以確保所設計的系統能夠正常工作。行業(yè)標準TSB89《ATIA-EIA-485-A應用指南》1中有一章專(zhuān)門(mén)介紹了這些計算。
每個(gè)發(fā)送器的雙絞線(xiàn)對數量
在理解了要求的傳輸線(xiàn)類(lèi)型后，讀者可能會(huì )問(wèn)：一個(gè)發(fā)送器能夠驅動(dòng)幾對雙絞線(xiàn)？簡(jiǎn)單回答就是：只能一對。盡管發(fā)送器在特定環(huán)境條件下有可能驅動(dòng)多個(gè)雙絞線(xiàn)對，但這不符合規范。
匹配電阻
由于涉及到高頻率和距離，必須嚴密關(guān)注傳輸線(xiàn)效應。然而，關(guān)于傳輸線(xiàn)效應和正確端接技術(shù)的詳細討論超出了本應用筆記的內容范圍。因此，本文簡(jiǎn)要討論與RS-485相關(guān)的最簡(jiǎn)單形式的匹配電阻。
匹配電阻就是安裝在電纜最末端的電阻(圖4)。匹配電阻值在理想情況下與電纜的特征阻抗值相同。
圖4. 匹配電阻值應與雙絞線(xiàn)的特征阻抗值相同，應安裝在電纜的遠端。
如果匹配電阻值與連接線(xiàn)的特征電阻值不同，信號在電纜中傳輸時(shí)將發(fā)生反射。這一過(guò)程由公式(Rt - Zo)/(Zo + Rt)給出，其中Zo為電纜阻抗，Rt為匹配電阻值。盡管電纜和電阻容限會(huì )造成一定不可避免的反射，但足夠大的失配會(huì )引起足以造成數據錯誤的較大反射，見(jiàn)圖5。
圖5. 使用上圖所示的電路，左側的波形是通過(guò)MAX3485獲得的，器件驅動(dòng)120Ω雙絞線(xiàn)電纜，匹配電阻為54Ω；右側波形為使用120Ω電阻正確端接電纜獲得的波形。
了解了反射之后，盡可能將匹配電阻與特征阻抗相匹配就非常重要。匹配電阻的位置也非常重要。匹配電阻應安裝在電纜的遠端。
此外，作為一般規則，應在電纜的兩個(gè)末端均安裝匹配電阻。盡管對于大多數系統設計在兩端正確安裝匹配電阻是非常關(guān)鍵的，但可以說(shuō)在某種特殊情況下只需一個(gè)匹配電阻。當系統中只有單個(gè)發(fā)送器，并且發(fā)送器位于電纜遠端時(shí)，在這種情況下，由于信號總是從發(fā)送器所在的電纜末端發(fā)送信號，所以不需要在該端安裝匹配電阻。
網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送器和接收器的最大數量
最簡(jiǎn)單的RS-485網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器組成，盡管這種配置在很多應用中很有用，但RS-485允許在一對雙絞線(xiàn)上掛接多個(gè)接收器和發(fā)送器，具有更大靈活性2。允許的發(fā)送器和接收器最大數量取決于每片器件對系統形成的負載。理想情況下，所有接收器和停止發(fā)送的發(fā)送器的阻抗無(wú)限大，不會(huì )造成系統過(guò)載。但在實(shí)際應用中并不是這種情況。連接至網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)接收器和所有停止發(fā)送的發(fā)送器都將增加負載。
為幫助RS-485網(wǎng)絡(luò )的設計者確定系統中可增加多少器件，創(chuàng )造一個(gè)稱(chēng)為“單位負載”的假想單位。連接至RS-485網(wǎng)絡(luò )的所有器件都應特征化為單位負載的倍數或分數。其中兩個(gè)例子是MAX3485(規定為1個(gè)單位負載)和MAX487(規定為1/4個(gè)單位負載)。假設電纜的特征阻抗為120Ω，正確端接，那么一對雙絞線(xiàn)上允許的最大單位負載數量為32。在上例中，意味著(zhù)單個(gè)網(wǎng)絡(luò )上可掛接最多32片MAX3485或最多128片MAX487。
失效保護偏置電阻
輸入介于-200mV和+200mV之間時(shí)，接收器輸出“無(wú)定義”。有四種常見(jiàn)故障條件會(huì )造成接收器輸出無(wú)定義，從而導致數據錯誤：
● 系統中的所有發(fā)送器關(guān)斷
● 接收器未連接至電纜
● 電纜開(kāi)路
● 電纜短路
利用失效保護偏置，當發(fā)生以上條件之一時(shí)，確保接收器的輸出為確定狀態(tài)。失效保護偏置包括同相線(xiàn)上的上拉電阻和反相線(xiàn)上的下拉電阻。偏置正確時(shí)，如果發(fā)生任意故障條件，接收器將輸出有效高電平。這些失效保護偏置電阻應安裝在傳輸線(xiàn)的接收器端。
ADI的MAX13080和MAX3535家族收發(fā)器不需要失效保護偏置電阻，因為器件已經(jīng)集成真正的失效保護功能。真正的失效保護功能中，接收器門(mén)限范圍為-50mV至-200mV，因此無(wú)需失效保護偏置電阻，同時(shí)完全符合RS-485標準。這些器件確保接收器輸入為0V時(shí)產(chǎn)生邏輯“高”電平輸出。此外，這種設計保證在線(xiàn)路開(kāi)路或短路條件下，接收器輸出狀態(tài)是確定的。
正確網(wǎng)絡(luò )示例
了解以上信息后，我們就可以設計一些RS-485網(wǎng)絡(luò )。以下為幾個(gè)例子。
一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器
最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )為一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器(圖6)。本例中，匹配電阻位于電纜的發(fā)送器端。盡管本例中沒(méi)必要，但設計兩個(gè)匹配電阻是一種好習慣。這允許發(fā)送器移動(dòng)到遠端之外的其它位置，并且允許在必要時(shí)將更多發(fā)送器增加至網(wǎng)絡(luò )。
圖6. 一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò )。
一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器
圖7所示為一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的網(wǎng)絡(luò )。本例中，使雙絞線(xiàn)到接收器的距離盡量短是非常必要的。
圖7. 一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò )。
兩個(gè)收發(fā)器
圖8所示為兩個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò )。
圖8. 兩個(gè)收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò )。
多個(gè)收發(fā)器
圖9所示為多個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò )。與圖7所示的一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器網(wǎng)絡(luò )一樣，使雙絞線(xiàn)到接收器的距離盡量短非常必要。
圖9. 多個(gè)收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò )。
不正確網(wǎng)絡(luò )示例
以下是系統配置不正確的例子。每個(gè)示例中給出了從設計不正確的網(wǎng)絡(luò )中獲得的波形，并與正確系統的波形進(jìn)行比較。波形是從A點(diǎn)和B點(diǎn)以差分形式(A-B)測得的。
未端接的網(wǎng)絡(luò )
本例中，雙絞線(xiàn)的末端未安裝匹配電阻。信號沿連接線(xiàn)傳輸時(shí)，在電纜末端遇到開(kāi)路。這就形成阻抗不匹配，產(chǎn)生發(fā)射。在開(kāi)路情況下(下圖所示)，所有能量被反射回源端，造成波形嚴重失真。
圖10. 未端接RS-485網(wǎng)絡(luò )(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò )獲得的波形(右圖)。
錯誤的端接位置
圖11中安裝了匹配電阻，但并沒(méi)有安置在電纜的最遠端。信號沿連接線(xiàn)傳輸時(shí)，遇到兩處阻抗不匹配。首先發(fā)生在匹配電阻處。即使電阻與電纜的特征阻抗相匹配，但電阻之后仍然有電纜。之后的電纜造成電阻不匹配，進(jìn)而引起反射。第二次不匹配發(fā)生在未端接電纜的末端，造成進(jìn)一步反射。
圖11. 匹配電阻位置錯誤的RS-485網(wǎng)絡(luò )(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò )獲得的波形(右圖)。
多根電纜
圖12所示的布局中存在多種問(wèn)題。RS-485驅動(dòng)器的設計目的是驅動(dòng)單對、正確端接的雙絞線(xiàn)。本例中，發(fā)送器驅動(dòng)4對并聯(lián)的雙絞線(xiàn)。這意味著(zhù)不能保證要求的最低邏輯電平。除負載大之外，多根電纜的連接點(diǎn)存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味著(zhù)反射，進(jìn)而造成信號失真。
圖12. 不正確使用多對雙絞線(xiàn)的RS-485網(wǎng)絡(luò )。
分支過(guò)長(cháng)
圖13中，電纜端接正確，發(fā)送器僅驅動(dòng)一對雙絞線(xiàn)。然而，接收器的連接點(diǎn)(分支)過(guò)長(cháng)。長(cháng)分支造成明顯的阻抗不匹配，進(jìn)而引起反射。所有分支應保證盡量短。
圖13. 分支長(cháng)達10英尺的RS-485網(wǎng)絡(luò )(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及短分支獲得的波形(右圖)。
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