RS-485網(wǎng)絡(luò)正確接線指南

本文介紹了RS-485網(wǎng)絡(luò)的正確接線方法，并提出了雙絞線布線和正確定位終端電阻的建議。顯示了正確和不正確的電纜端接示例的接收波形。圖中顯示了通過多個收發(fā)器到多分支電路的簡單單發(fā)射器/多接收器網(wǎng)絡(luò)的配置。

本應(yīng)用筆記提供了RS-485網(wǎng)絡(luò)布線的基本指南。RS-485規(guī)范（正式名稱為TIA/EIA-485-A）沒有具體說明RS-485網(wǎng)絡(luò)應(yīng)如何布線。盡管如此，該規(guī)范確實提供了一些指導(dǎo)方針。這些準(zhǔn)則和健全的工程實踐是本說明的基礎(chǔ)。然而，這里的建議絕不包括可以設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的所有不同方式。

RS-485在多個位置之間傳輸數(shù)字信息。數(shù)據(jù)速率可以高達(dá)，有時甚至大于10Mbps。 RS-485設(shè)計用于在很長的長度上傳輸此信息，1000米完全在其能力范圍內(nèi)。RS-485可以成功使用的距離和數(shù)據(jù)速率在很大程度上取決于系統(tǒng)的接線。

線

RS-485被設(shè)計為一個平衡系統(tǒng)。簡而言之，這意味著除了接地之外，還有兩根電線用于傳輸信號。

圖1.平衡系統(tǒng)使用兩根線（而不是接地）來傳輸數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)稱為平衡系統(tǒng)，因為理想情況下，一根導(dǎo)線上的信號與第二根導(dǎo)線上的信號完全相反。換句話說，如果一根導(dǎo)線傳輸高電平，另一根導(dǎo)線將傳輸?shù)碗娖?，反之亦然。參見圖2。

圖2.平衡系統(tǒng)的兩根導(dǎo)線上的信號理想情況下相反。

雖然RS-485可以使用多種類型的介質(zhì)成功傳輸，但它應(yīng)與通常稱為“雙絞線”的布線一起使用。

什么是雙絞線，為什么要使用它？

顧名思義，雙絞線只是一對等長并絞合在一起的電線。使用符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線發(fā)送器可減少高速長距離網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員面臨的兩個主要問題來源：輻射EMI和接收EMI。

輻射電磁干擾

如圖3所示，只要使用快速邊沿傳輸信息，就會出現(xiàn)高頻分量。在RS-485能夠傳輸?shù)妮^高數(shù)據(jù)速率下，這些快速邊沿是必要的。

圖3.125kHz方波的波形及其FFT圖。

這些快速邊沿的高頻分量與長導(dǎo)線耦合會產(chǎn)生EMI。與雙絞線一起使用的平衡系統(tǒng)通過使系統(tǒng)成為低效的散熱器來減少這種影響。它的工作原理非常簡單：由于導(dǎo)線上的信號相等但相反，因此來自每根導(dǎo)線上的輻射信號也趨于相等但相反。這具有相互抵消的效果，這意味著沒有凈輻射EMI。但是，此結(jié)果基于以下假設(shè)：導(dǎo)線的長度完全相同且位置完全相同。由于不可能在同一位置同時放置兩根電線，因此電線應(yīng)盡可能靠近彼此放置。扭曲導(dǎo)線，使兩根導(dǎo)線之間的距離有限，有助于抵消任何剩余的EMI。

接收電磁干擾

接收EMI與輻射EMI基本相同，但相反。RS-485系統(tǒng)中使用的布線也將充當(dāng)接收不需要的信號的天線。這些不需要的信號可能會扭曲所需的信號，如果足夠糟糕，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。與雙絞線有助于防止輻射EMI的原因相同，它也有助于減少接收EMI的影響。由于兩根導(dǎo)線靠近并扭曲在一起，因此在一根導(dǎo)線上接收到的噪聲往往與在第二根導(dǎo)線上接收到的噪聲相同。這種類型的噪聲稱為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設(shè)計用于查找彼此相反的信號，因此它們可以輕松抑制兩者共有的噪聲。

雙絞線的特性阻抗

根據(jù)電纜的幾何形狀和絕緣中使用的材料，雙絞線將具有與之相關(guān)的“特性阻抗”，通常由其制造商指定。RS-485規(guī)范建議（但沒有明確規(guī)定）該特性阻抗為120Ω。推薦此阻抗對于計算RS-485規(guī)范中給出的最壞情況負(fù)載和共模電壓范圍是必要的。為了靈活性，規(guī)范可能沒有規(guī)定這種阻抗。如果由于某種原因無法使用120Ω電纜，建議重新計算最壞情況負(fù)載（可以使用的發(fā)射器和接收器的數(shù)量）和最壞情況共模電壓范圍，以確保設(shè)計中的系統(tǒng)能夠正常工作。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出版物 TSB89，TIA-EIA-485-A 應(yīng)用指南1 中有一節(jié)專門用于這些計算。

每個發(fā)射器的雙絞線數(shù)量

既然了解了所需的電線類型，人們可以問，發(fā)射器可以驅(qū)動多少雙絞線？簡短的回答是：正好一個。盡管在某些情況下，發(fā)射器可以驅(qū)動多條雙絞線，但這不是規(guī)范的意圖。

端接電阻器

由于涉及的高頻和距離，必須適當(dāng)注意傳輸線效應(yīng)。然而，對傳輸線效應(yīng)和適當(dāng)?shù)亩私蛹夹g(shù)的全面討論遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本應(yīng)用筆記的范圍。考慮到這一點，將以最簡單的形式簡要討論與RS-485相關(guān)的端接。

終端電阻只是放置在電纜最末端的電阻器（圖 4）。理想情況下，終端電阻的值與電纜的特性阻抗相同。

圖4.端接電阻應(yīng)與雙絞線的特性阻抗值相同，并應(yīng)放置在電纜的遠(yuǎn)端。

當(dāng)端接電阻與接線的特性阻抗值不同時，當(dāng)信號沿著電纜傳播時會發(fā)生反射。此過程由公式 （Rt - Zo）/（Zo + Rt） 控制，其中 Zo 是電纜的阻抗，Rt 是終端電阻的值。盡管由于電纜和電阻的容差，一些反射是不可避免的，但足夠大的不匹配可能會導(dǎo)致反射大到足以導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。參見圖 5。

圖5.使用頂部所示電路，左邊的波形由MAX3485驅(qū)動端接120Ω的54Ω雙絞線電纜獲得。右邊的波形是在電纜端接120Ω時獲得的。

了解反射后，終止電阻和特性阻抗盡可能匹配非常重要。終端電阻的位置也非常重要。端接電阻應(yīng)始終放置在電纜的遠(yuǎn)端。

此外，作為一般規(guī)則，端接電阻應(yīng)放置在電纜的兩端。盡管正確端接兩端對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計來說絕對至關(guān)重要，但可以說，在一種特殊情況下，只需要一個端接電阻。當(dāng)系統(tǒng)中只有一個發(fā)射器并且該單個發(fā)射器位于電纜的遠(yuǎn)端時，就會發(fā)生這種情況。在這種情況下，無需在與變送器的電纜末端放置終端電阻，因為信號旨在始終遠(yuǎn)離電纜的這一端。

網(wǎng)絡(luò)上發(fā)射器和接收器的最大數(shù)量

最簡單的RS-485網(wǎng)絡(luò)由單個發(fā)射器和單個接收器組成。雖然RS-485在許多應(yīng)用中都很有用，但RS-<>允許在一對雙絞線上安裝多個接收器和發(fā)射器，從而實現(xiàn)更大的靈活性。 允許的最大收發(fā)器和接收器數(shù)量取決于每個器件在系統(tǒng)中的負(fù)載量。在理想情況下，所有接收器和非活動發(fā)射器都將具有無限阻抗，并且不會以任何方式使系統(tǒng)過載。然而，在現(xiàn)實世界中，情況并非如此。連接到網(wǎng)絡(luò)的每個接收器和所有不活動的發(fā)射器都會增加增量負(fù)載。

為了幫助RS-485網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計者確定可以向網(wǎng)絡(luò)添加多少個設(shè)備，創(chuàng)建了一個稱為“單位負(fù)載”的假設(shè)單元。連接到RS-485網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備都應(yīng)根據(jù)單位負(fù)載的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)進(jìn)行表征。MAX3485的額定負(fù)載為1單位負(fù)載，MAX487的額定負(fù)載為1/4單位負(fù)載。假設(shè)一根雙絞線正確端接的電纜具有 120Ω 或更高的特性阻抗，則允許的最大單位負(fù)載數(shù)為 32。使用上面給出的示例，這意味著單個網(wǎng)絡(luò)上可以放置多達(dá)32個MAX3485或128個MAX487。

故障安全偏置電阻器

當(dāng)輸入在-200mV至+200mV之間時，接收器輸出為“未定義”。有四種常見的故障情況會導(dǎo)致接收器輸出未定義，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤：

系統(tǒng)中的所有發(fā)射器都處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。

接收器未連接到電纜。

電纜有一個開口。

電纜短路。

故障安全偏置用于在發(fā)生這些條件之一時將接收器的輸出保持在定義的狀態(tài)。故障安全偏置由同相線路上的上拉電阻和反相線路上的下拉電阻組成。通過適當(dāng)?shù)钠?，?dāng)任何一個故障條件發(fā)生時，接收器將輸出有效的高電平。這些故障安全偏置電阻應(yīng)放置在傳輸線的接收器端。

Maxim的MAX13080和MAX3535系列收發(fā)器不需要故障安全偏置電阻，因為器件中集成了真正的故障安全特性。在真正的故障安全模式下，接收器閾值范圍為-50mV至-200mV，因此無需故障安全偏置電阻，同時完全符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)。這些器件確保接收器輸入端的 0V 產(chǎn)生邏輯“高”輸出。此外，這種設(shè)計保證了開路和短路條件下已知的接收器輸出狀態(tài)。

正確網(wǎng)絡(luò)的示例

鑒于上述信息，我們準(zhǔn)備設(shè)計一些RS-485網(wǎng)絡(luò)。以下是一些示例。

一個發(fā)射器，一個接收器

最簡單的網(wǎng)絡(luò)是一個發(fā)射器和一個接收器（圖 6）。在本例中，終端電阻顯示在電纜的發(fā)射器端。雖然這里沒有必要，但設(shè)計兩個端接電阻可能是一個好習(xí)慣。這允許將發(fā)射器移動到遠(yuǎn)端以外的位置，并允許在必要時將其他發(fā)射器添加到網(wǎng)絡(luò)中。

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

一個發(fā)射器，多個接收器

圖7顯示了一個單發(fā)射器多接收器網(wǎng)絡(luò)。在這里，保持雙絞線到接收器的距離盡可能短是很重要的。

圖7.單發(fā)射器、多接收器RS-485網(wǎng)絡(luò)。

兩個收發(fā)器

圖8所示為雙收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。

圖8.雙收發(fā)器 RS-485 網(wǎng)絡(luò)。

多個收發(fā)器

圖9所示為多收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。與圖7中的單發(fā)射器和多接收器示例一樣，保持雙絞線到接收器的距離盡可能短非常重要。

圖9.多收發(fā)器 RS-485 網(wǎng)絡(luò)。

不當(dāng)網(wǎng)絡(luò)示例

下圖是配置不正確的系統(tǒng)的示例。每個示例都顯示了從設(shè)計不當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)獲得的波形，并比較了來自設(shè)計正確的系統(tǒng)的波形。波形在 A 點和 B 點 （a-b） 處以差分方式測量。

未終止的網(wǎng)絡(luò)

在此示例中，雙絞線的末端未端接。當(dāng)信號沿著電線傳播時，它會在電纜末端遇到開路。這構(gòu)成了阻抗失配，從而產(chǎn)生反射。在開路的情況下（如下圖所示），所有的能量都會反射回源，導(dǎo)致波形變得非常失真。

圖 10.未端接的RS-485網(wǎng)絡(luò)（頂部）及其產(chǎn)生的波形（左）與從正確端接的網(wǎng)絡(luò)獲得的波形（右）的比較。

錯誤的終止位置

圖11顯示了一個終端電阻，但它位于電纜遠(yuǎn)端以外的位置。當(dāng)信號沿著電纜傳播時，它會遇到兩個阻抗不匹配。第一個發(fā)生在端接電阻處。即使電阻與電纜的特性阻抗匹配，電阻器之后仍然有電纜。這種額外的電纜會導(dǎo)致不匹配，從而導(dǎo)致反射。第二個不匹配是在未端接電纜的末端，導(dǎo)致進(jìn)一步的反射。

圖 11.RS-485網(wǎng)絡(luò)，其終端電阻放置在錯誤的位置（上）及其產(chǎn)生的波形（左），與正確端接的網(wǎng)絡(luò)（右）的比較。

多根電纜

圖 12 中的布局存在多個問題。RS-485驅(qū)動器設(shè)計為僅驅(qū)動一根正確端接的雙絞線。在這里，發(fā)射器各自并聯(lián)驅(qū)動四對雙絞線。這意味著無法保證所需的最低邏輯電平。除了重負(fù)載外，在連接多根電纜的點還存在阻抗不匹配。阻抗失配再次意味著反射，因此意味著信號失真。

圖 12.錯誤地使用多根雙絞線的 RS-485 網(wǎng)絡(luò)。

長存根

在圖13中，電纜端接正確，發(fā)射器僅驅(qū)動一對雙絞線。但是，接收器的連接點（短截線）過長。長短截線會導(dǎo)致明顯的阻抗失配，從而導(dǎo)致反射。所有存根應(yīng)盡可能短。

圖 13.RS-485網(wǎng)絡(luò)具有10英尺短截線（上）及其產(chǎn)生的波形（左），與短短截線（右）獲得的波形相比。

審核編輯：郭婷