RS-485網(wǎng)絡(luò)的正確連接方法

本應(yīng)用筆記提供連接RS-485網(wǎng)絡(luò)的基本指南。RS-485規(guī)范(官方稱為TIA/EIA-485-A)沒有特別規(guī)定應(yīng)該如何連接RS-485網(wǎng)絡(luò)。盡管如此，規(guī)范還是給出了一些指南。這些指南和良好的工程實踐是本應(yīng)用筆記的基礎(chǔ)。然而，本文提出的建議并不能涵蓋設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的所有不同方式。

RS-485在多個位置之間發(fā)送數(shù)字信息。數(shù)據(jù)率可高達10Mbps，有時候甚至更高。RS-485設(shè)計主要用于在較長距離內(nèi)傳輸信息，其能力完全可滿足1000米的距離。RS-485能夠成功實現(xiàn)的傳輸距離和數(shù)據(jù)率很大程度上依賴于系統(tǒng)的接線方法。

接線

RS-485的設(shè)計為平衡系統(tǒng)。簡單地說，使用兩根線傳輸信號，沒有地。

圖1. 平衡系統(tǒng)使用兩根線傳輸數(shù)據(jù)，沒有地。

系統(tǒng)之所以稱為是平衡的，是因為理想情況下其中一根線上的信號與另一根線上的信號嚴格相反。也就是說，如果一根線發(fā)送的為高電平，另一根線將發(fā)送低電平，反之亦然，見圖2。

圖2. 平衡系統(tǒng)中兩根線上的信號嚴格相反。

盡管RS-485可使用多種類型的介質(zhì)進行成功傳輸，但應(yīng)使用通常稱為“雙絞線”的接線方法。

什么是雙絞線？為什么使用雙絞線？

顧名思義，雙絞線是一對等長、纏繞在一起的電線。RS-485兼容的發(fā)送器與雙絞線配合使用可降低設(shè)計高速長距離網(wǎng)絡(luò)的兩個主要故障源：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，就會產(chǎn)生高頻成分。由于RS-485能夠以較高數(shù)據(jù)率進行傳輸，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連接線相耦合，會產(chǎn)生輻射EMI。采用雙絞線的平衡系統(tǒng)使系統(tǒng)成為沒有效率的輻射體，可降低這種影響。其工作原理很簡單：由于傳輸線上的信號相等、極性相反，每根線上輻射的信號也相當、極性相反。這就存在彼此抵消的效果，意味著不存在凈輻射EMI。然而，這種結(jié)果基于一個前提：連接線長度嚴格相等、位置嚴格相同。由于兩根線不可能同時處于相同的位置，所以兩根線應(yīng)盡量彼此靠近。將兩根線纏繞在一起，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的問題相同，但方向相反。RS-485系統(tǒng)中使用的線纜也作為天線接收有害信號。這些有害信號會造成有用信號失真，如果足夠嚴重，會引起數(shù)據(jù)錯誤。與雙絞線有助于防止輻射EMI的原因相同，雙絞線也有助于降低接收EMI的影響。由于兩根線彼此靠近并纏繞在一起，一根線上接收的噪聲將傾向于與另一個線上接收的噪聲相同。這種類型的噪聲被稱為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設(shè)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。

雙絞線的特征阻抗

根據(jù)電纜的幾何結(jié)構(gòu)以及所用絕緣材料的不同，雙絞線的“特征阻抗”一般由制造商給出。RS-485規(guī)范推薦但沒有特別規(guī)定特征阻抗應(yīng)為120Ω。推薦這一阻抗是RS-485規(guī)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(guī)范沒有特別規(guī)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(shù)量)和最差工作條件共模電壓范圍，以確保所設(shè)計的系統(tǒng)能夠正常工作。行業(yè)標準TSB89《ATIA-EIA-485-A應(yīng)用指南》1中有一章專門介紹了這些計算。

每個發(fā)送器的雙絞線對數(shù)量

在理解了要求的傳輸線類型后，讀者可能會問：一個發(fā)送器能夠驅(qū)動幾對雙絞線？簡單回答就是：只能一對。盡管發(fā)送器在特定環(huán)境條件下有可能驅(qū)動多個雙絞線對，但這不符合規(guī)范。

匹配電阻

由于涉及到高頻率和距離，必須嚴密關(guān)注傳輸線效應(yīng)。然而，關(guān)于傳輸線效應(yīng)和正確端接技術(shù)的詳細討論超出了本應(yīng)用筆記的內(nèi)容范圍。因此，本文簡要討論與RS-485相關(guān)的最簡單形式的匹配電阻。

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(yīng)與雙絞線的特征阻抗值相同，應(yīng)安裝在電纜的遠端。

如果匹配電阻值與連接線的特征電阻值不同，信號在電纜中傳輸時將發(fā)生反射。這一過程由公式(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造成一定不可避免的反射，但足夠大的失配會引起足以造成數(shù)據(jù)錯誤的較大反射，見圖5。

圖5. 使用上圖所示的電路，左側(cè)的波形是通過MAX3485獲得的，器件驅(qū)動120Ω雙絞線電纜，匹配電阻為54Ω；右側(cè)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(yīng)安裝在電纜的遠端。

此外，作為一般規(guī)則，應(yīng)在電纜的兩個末端均安裝匹配電阻。盡管對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計在兩端正確安裝匹配電阻是非常關(guān)鍵的，但可以說在某種特殊情況下只需一個匹配電阻。當系統(tǒng)中只有單個發(fā)送器，并且發(fā)送器位于電纜遠端時，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(shù)量

最簡單的RS-485網(wǎng)絡(luò)由一個發(fā)送器和一個接收器組成，盡管這種配置在很多應(yīng)用中很有用，但RS-485允許在一對雙絞線上掛接多個接收器和發(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(shù)量取決于每片器件對系統(tǒng)形成的負載。理想情況下，所有接收器和停止發(fā)送的發(fā)送器的阻抗無限大，不會造成系統(tǒng)過載。但在實際應(yīng)用中并不是這種情況。連接至網(wǎng)絡(luò)的每個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(shè)計者確定系統(tǒng)中可增加多少器件，創(chuàng)造一個稱為“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(yīng)特征化為單位負載的倍數(shù)或分數(shù)。其中兩個例子是MAX3485(規(guī)定為1個單位負載)和MAX487(規(guī)定為1/4個單位負載)。假設(shè)電纜的特征阻抗為120Ω，正確端接，那么一對雙絞線上允許的最大單位負載數(shù)量為32。在上例中，意味著單個網(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，接收器輸出“無定義”。有四種常見故障條件會造成接收器輸出無定義，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤：

• 系統(tǒng)中的所有發(fā)送器關(guān)斷
• 接收器未連接至電纜
• 電纜開路
• 電纜短路

利用失效保護偏置，當發(fā)生以上條件之一時，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上的上拉電阻和反相線上的下拉電阻。偏置正確時，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(yīng)安裝在傳輸線的接收器端。

Maxim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，接收器門限范圍為-50mV至-200mV，因此無需失效保護偏置電阻，同時完全符合RS-485標準。這些器件確保接收器輸入為0V時產(chǎn)生邏輯“高”電平輸出。此外，這種設(shè)計保證在線路開路或短路條件下，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(shè)計一些RS-485網(wǎng)絡(luò)。以下為幾個例子。

一個發(fā)送器、一個接收器
最簡單的網(wǎng)絡(luò)為一個發(fā)送器和一個接收器(圖6)。本例中，匹配電阻位于電纜的發(fā)送器端。盡管本例中沒必要，但設(shè)計兩個匹配電阻是一種好習(xí)慣。這允許發(fā)送器移動到遠端之外的其它位置，并且允許在必要時將更多發(fā)送器增加至網(wǎng)絡(luò)。

圖6. 一個發(fā)送器、一個接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

一個發(fā)送器、多個接收器
圖7所示為一個發(fā)送器、多個接收器的網(wǎng)絡(luò)。本例中，使雙絞線到接收器的距離盡量短是非常必要的。

圖7. 一個發(fā)送器、多個接收器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

兩個收發(fā)器
圖8所示為兩個收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。

圖8. 兩個收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

多個收發(fā)器
圖9所示為多個收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。與圖7所示的一個發(fā)送器、多個接收器網(wǎng)絡(luò)一樣，使雙絞線到接收器的距離盡量短非常必要。

圖9. 多個收發(fā)器的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

不正確網(wǎng)絡(luò)示例

以下是系統(tǒng)配置不正確的例子。每個示例中給出了從設(shè)計不正確的網(wǎng)絡(luò)中獲得的波形，并與正確系統(tǒng)的波形進行比較。波形是從A點和B點以差分形式(A-B)測得的。

未端接的網(wǎng)絡(luò)
本例中，雙絞線的末端未安裝匹配電阻。信號沿連接線傳輸時，在電纜末端遇到開路。這就形成阻抗不匹配，產(chǎn)生發(fā)射。在開路情況下(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，但并沒有安置在電纜的最遠端。信號沿連接線傳輸時，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題。RS-485驅(qū)動器的設(shè)計目的是驅(qū)動單對、正確端接的雙絞線。本例中，發(fā)送器驅(qū)動4對并聯(lián)的雙絞線。這意味著不能保證要求的最低邏輯電平。除負載大之外，多根電纜的連接點存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味著反射，進而造成信號失真。

圖12. 不正確使用多對雙絞線的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

分支過長
圖13中，電纜端接正確，發(fā)送器僅驅(qū)動一對雙絞線。然而，接收器的連接點(分支)過長。長分支造成明顯的阻抗不匹配，進而引起反射。所有分支應(yīng)保證盡量短。

圖13. 分支長達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)。