RS-485總線的理論與實(shí)踐

闡述了RS-485總線規(guī)范，描述了影響RS-485總線通信速率和通信可靠性的三個(gè)因素，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決方法并討論了總線負(fù)載能力和傳輸距離之間的具體關(guān)系。

當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總線CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線進(jìn)行總結(jié)和研究。

一、EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)

在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：

接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓

輸入端的電容≤50pF

在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）

接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)“1”）

因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

二、影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素

1、在通信電纜中的信號(hào)反射

在通信過程中，有兩種信號(hào)因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。

阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖1所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻，如圖2所示。

從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。

引起信號(hào)反射的另個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計(jì)算公式如式（1）。

RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）

式中：Vref—反射信號(hào)的電壓大?。籚inc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。

具體的測(cè)量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號(hào)的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：

RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細(xì)介紹。

2、在通訊電纜中的信號(hào)衰減

第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖4所示。

電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標(biāo)準(zhǔn)型二芯電感（西門子為DP總線選用的標(biāo)準(zhǔn)電纜），在不同波特率時(shí)的衰減系數(shù)如表1所示。

表1 電纜的衰減系數(shù)

3、在通訊電纜中的純阻負(fù)載

影響通訊性能的第三個(gè)因素是純阻性負(fù)載（也叫直流負(fù)載）的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。

在敘述EIA RS-485規(guī)范時(shí)曾提到過RS-485驅(qū)動(dòng)器在帶了32個(gè)節(jié)點(diǎn)，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖5所示。按這樣計(jì)算，RS-485驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力為：

RL=32個(gè)輸入電阻并聯(lián)||2個(gè)終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω

現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載的關(guān)系計(jì)算，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可帶節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個(gè)。

在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖6。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時(shí)（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖7。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號(hào)或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會(huì)由于這些信號(hào)的到來而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

通過下面后例子了，可以計(jì)算出偏置電阻的大?。?/p>

終端電阻Rt1=Rr2=120Ω；

假設(shè)反射信號(hào)最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負(fù)半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號(hào)引起的反射電流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一般RS-485收發(fā)器（包括SN75176）的滯后電壓值（hysteresis value）為50mV，即：

（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV

于是可以計(jì)算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流Ibias≥3.33mA

+5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）) （2）

通過式2可以計(jì)算出R上拉=R下拉=720Ω

在實(shí)際應(yīng)用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：

（1）把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。

（2）在一段總線上只用一對(duì)偏置電阻。這種方法對(duì)總線上存在大的反射信號(hào)或干擾信號(hào)比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載。

三、RS-485總線的負(fù)載能力和通訊電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系

在設(shè)計(jì)RS-485總線組成的網(wǎng)絡(luò)配置（總線長(zhǎng)度和帶負(fù)載個(gè)數(shù)）時(shí)，應(yīng)該考慮到三個(gè)參數(shù)：純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減和噪聲容限。純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減這兩個(gè)參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限（Noise Margin）。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應(yīng)該大于200mV。前面的論述者是在假設(shè)噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高總線的抗干擾能力，總希望系統(tǒng)的噪聲容限比EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負(fù)載的多少和通訊電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系：

Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias) (3)

其中：Vend為總線末端的信號(hào)電壓，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定時(shí)規(guī)定為0.2V；Vdriver為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓（與負(fù)載數(shù)有關(guān)。負(fù)載數(shù)在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V；當(dāng)負(fù)載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V；當(dāng)負(fù)載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V）；Vloss為信號(hào)在總線中的傳輸過程中的損耗（與通訊電纜的規(guī)格和長(zhǎng)度有關(guān)），由表1提供的標(biāo)準(zhǔn)電纜的衰減系數(shù)，根據(jù)公式衰減系數(shù)b=20lg(Vout/Vin)可以計(jì)算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長(zhǎng)度1km，如果特率增加，Vloss會(huì)相應(yīng)增大)；Vnoise為噪聲容限，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定時(shí)規(guī)定為0.1V；Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓（典型值為0.4V）。

式（3）中乘以0.8是為了使通信電纜不進(jìn)入滿載狀態(tài)。從式（3）可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負(fù)載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長(zhǎng)度成反比，其他幾個(gè)參數(shù)只和用的驅(qū)動(dòng)器類型有關(guān)。因此，在選定了驅(qū)動(dòng)器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負(fù)載數(shù)的多少，與信號(hào)能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：在總線允許的范圍內(nèi)，帶負(fù)載數(shù)越多，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就越小；帶負(fù)載數(shù)據(jù)少，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠(yuǎn)。

四、分布電容對(duì)RS-485總線傳輸性能的影響

電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對(duì)總線傳輸性能的影響，主要是因?yàn)榭偩€上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號(hào)“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)“1”到來時(shí)，由于分布電容中的電荷，來不及放電，(Vin+)—(Vin-)-還大于200mV，結(jié)果使接愛誤認(rèn)為是“0”，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。具體過程如圖8所示。

由于總線上分布影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能降低。解決這個(gè)問題有兩種方法：

（1）降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?/p>

（2）使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質(zhì)量。