串行通信協(xié)議和我們的RS-485的完整指南

介紹

各種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議的范圍從RS-232（EIA/TIA-232）到千兆以太網(wǎng)等等。盡管每種協(xié)議都適合特定的應(yīng)用，但在所有情況下，您都必須考慮物理 （PHY） 層的成本和性能。本文重點介紹RS-485（EIA/TIA-485）協(xié)議以及最適合該標準的應(yīng)用。它還顯示了根據(jù)布線、系統(tǒng)設(shè)計和組件選擇來優(yōu)化數(shù)據(jù)速率的方法。

在本應(yīng)用筆記中，我們將使用“RS”命名法來指代相應(yīng)的ANSI EIA/TIA標準。

協(xié)議定義

什么是RS-485？它與其他串行協(xié)議相比如何，它們最適合哪些應(yīng)用？以下概述比較了RS-485 PHY與RS-232和RS-422的特性和功能。[1]

RS-232 是一種標準，最初是調(diào)制解調(diào)器、打印機和其他 PC 外圍設(shè)備的通信指南。它提供了一個波特率高達20kbps的單端通道，后來增強到1Mbps。其他RS-232規(guī)格包括標稱±5V發(fā)射和±3V接收（空格/標記）信號電平、2V共模抑制、2200pF最大電纜負載電容、300Ω最大驅(qū)動器輸出電阻、3kΩ最小接收器（負載）阻抗和100ft（典型值）最大電纜長度。RS-232系統(tǒng)僅是點對點的。任何RS-232系統(tǒng)都必須適應(yīng)這些限制。

RS-422是單向、全雙工標準，適用于電氣噪聲工業(yè)環(huán)境。它指定具有多個接收器的單個驅(qū)動程序。信號路徑是差分的，可處理高于 50Mbps 的比特率。接收器的共模范圍為±7V，驅(qū)動器輸出電阻最大為100Ω，接收器輸入阻抗可低至4kΩ。

RS-485標準

最初的ANSI/EIA/TIA-485-A-1998標準于1998年232月獲得批準，以解決RS-422和RS-485的缺點。RS-422是一種雙向半雙工標準，具有多個“總線”驅(qū)動器和接收器，其中每個驅(qū)動器都可以放棄總線。它符合所有RS-7規(guī)范，但更堅固，包括更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍（-12V至+<>V）。

接收器輸入靈敏度為±200mV，這意味著要識別標記或空格，接收器必須看到高于+200mV或低于-200mV的信號電平。最小接收器輸入阻抗為12kΩ（稱為單位負載），驅(qū)動器輸出電壓最小±1.5V，最大值±5V。

驅(qū)動容量為32個單位負載，即32個12kΩ接收器并聯(lián)。許多接收器設(shè)計有更高的輸入阻抗，允許一條總線上的單位負載數(shù)量也更高?？偩€上可以連接任意數(shù)量的接收器，前提是提供給驅(qū)動器的組合（并聯(lián)）負載不超過32個單位負載（375Ω）。允許的驅(qū)動器負載阻抗為54Ω（最大值），在典型的24AWG雙絞線環(huán)境中，為32個單位負載，與兩個120Ω端接器并聯(lián)。

RS-485仍然是POS、工業(yè)和電信應(yīng)用中使用最廣泛的協(xié)議。寬共模范圍支持在更長的電纜長度和嘈雜的環(huán)境中（如工廠地板）進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，接收器的高輸入阻抗允許將更多設(shè)備連接到線路上。

從485年開始，RS-1998標準中推薦的最大數(shù)據(jù)速率為10Mbps，可以在最大電纜長度為40英尺（12米）的情況下實現(xiàn)。電纜的絕對最大距離為 4000 英尺（1.2 公里），此時，數(shù)據(jù)速率限制為 100kbps。這些是原始標準中的規(guī)格，到本應(yīng)用筆記發(fā)布時，該標準已經(jīng)有20年的歷史了！涉及RS-485的現(xiàn)代應(yīng)用通常具有10Mbps的幾倍數(shù)據(jù)速率，并且需要更長的距離更高的速度。新的RS-485收發(fā)器和電纜正在推動RS-485的極限遠遠超出其原始定義。

專業(yè)總線和現(xiàn)場總線[2]是主要用于工業(yè)廠房的總線，是RS-485的擴展。工廠布線系統(tǒng)測量傳感器，控制執(zhí)行器，收集和顯示數(shù)據(jù)，并在過程控制系統(tǒng)與傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)之間進行數(shù)據(jù)通信。

Profibus和現(xiàn)場總線是整體系統(tǒng)描述;RS-485是支持它們的網(wǎng)絡(luò)的PHY層的標準。Profibus和現(xiàn)場總線的規(guī)格略有不同。Profibus 需要 2.0V 最小差分輸出電壓和 54Ω 最大總線負載。現(xiàn)場總線要求最小差分輸出電壓為1.5V，最大負載總線為54Ω。Profibus可以傳輸高達12Mbps的數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場總線則為500kbps。在Profibus應(yīng)用中，偏斜和電容容差更加嚴格。

這些協(xié)議最適合在哪里？

RS-232：與調(diào)制解調(diào)器、打印機和其他 PC 外圍設(shè)備的通信。典型的最大電纜長度為 100 英尺。

RS-422：只需要一個總線主站（驅(qū)動器）的工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用包括過程自動化（化工、釀造、造紙）、工廠自動化（金屬制造）、HVAC、安全、電機控制和運動控制。

RS-485：需要多個總線主控器/驅(qū)動器的工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用與RS-422類似：過程自動化（化工、釀造、造紙）、工廠自動化（汽車、金屬制造）、HVAC、安全、電機控制和運動控制。

哪些因素限制了RS-485數(shù)據(jù)速率？

以下因素會影響在給定數(shù)據(jù)速率下可以可靠傳輸?shù)木嚯x：

電纜長度：在給定頻率下，信號被電纜衰減為長度的函數(shù)。

電纜結(jié)構(gòu)：Cat5，Cat5e和Cat6 24AWG雙絞線是用于RS-485系統(tǒng)的非常常見的電纜類型。在電纜上添加屏蔽可增強抗噪性，從而提高給定距離的數(shù)據(jù)速率。

電纜特性阻抗：分布式電容和電感可減慢邊沿，降低噪聲容限并損害“眼圖模式”。分布式電阻直接衰減信號電平。

驅(qū)動器輸出阻抗：如果過高，則會限制驅(qū)動能力。

接收器輸入阻抗：如果太低，則會限制驅(qū)動器可以處理的接收器數(shù)量。

端接：長電纜可以像傳輸線一樣。用其特性阻抗端接電纜可減少反射并提高可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。

噪聲容限：越大越好。

驅(qū)動器壓擺率：較慢的邊沿（較低的壓擺率）允許在更長的電纜上進行傳輸，但會降低可實現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率。

點對點與多點：總線上第三個或更多設(shè)備創(chuàng)建的存根限制了可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率，有時甚至很嚴重。

一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)

MAX3469

讓我們考慮一個實際的有線系統(tǒng)（圖1）。所示電纜通常用于RS-485系統(tǒng)：EIA/TIA/ANSI 568 Cat5雙絞線。對于 300 英尺到 900 英尺的電纜長度，獲得的數(shù)據(jù)速率范圍為 1Mbps 至 35Mbps。

圖1.測試設(shè)置。

對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，收發(fā)器的制造商通常不如RS-485驅(qū)動器可以驅(qū)動信號的最大數(shù)據(jù)速率和最遠距離重要。Maxim驅(qū)動器（本例中為MAX3469，圖3）和另一家制造商的等效驅(qū)動器（圖2）的眼圖可以了解收發(fā)器隨距離和信號速度的變化能力。

圖2.RS-485驅(qū)動器件的眼圖模式與Maxim的MAX3469相當。[3]

圖3.Maxim MAX3469的眼圖。

通過觀察驅(qū)動器的差分輸出來測試信號完整性。設(shè)置示波器以查找 80mV 和 -400mV 閾值之間的觸發(fā)點。（之所以選擇這些閾值，是因為測試中使用的接收器的輸入范圍為20mV至-200mV，外加噪聲容限。當脈沖（比特）開始“一起運行”時，眼圖可用于確定失真、噪聲和衰減對稱為碼間干擾（ISI）的參數(shù)的總體貢獻。

ISI 強制您將比特率降低到允許充分區(qū)分脈沖的水平。圖1電路的測試表明，觸發(fā)點和眼圖模式之間存在一致且清晰的相關(guān)性。眼圖表現(xiàn)出50%的抖動，使用美國國家半導(dǎo)體應(yīng)用筆記977中記錄的方法測量[4].采集數(shù)據(jù)測量±100mV差分（圖4）和0V差分（圖5）下的抖動。

圖4.給定比特率和電纜長度的抖動圖。抖動在±100mV差分下測量。

圖5.給定比特率和電纜長度的抖動圖。抖動在0V差分下測量。

對于給定的點對點連接，與特定電纜長度相關(guān)的比特率可以用±100mV差分（圖4）或0V差分（圖5）表示。接收器輸入信號在+100mV至-100mV之間，確保接收器正確切換，因為差分信號的輸入門限小于200mV。（圖5中的數(shù)據(jù)僅適用于理想接收器，該接收器在0V差分輸入下切換。

眼圖和故障模式

在 39Mbps 和 340 英尺的 Cat5 電纜下，圖 2 的驅(qū)動器輸出呈現(xiàn)出一種眼圖模式，其中信號在眼圖中間交叉，這種情況表明可能存在位錯誤。然而，在相同數(shù)據(jù)速率下，Maxim器件沒有出現(xiàn)這種情況（圖3）。Maxim收發(fā)器具有對稱的輸出邊沿和較低的輸入電容，因此性能更好。

對于上述測試，這兩個驅(qū)動程序具有可比性。然而，在更長的電纜上，數(shù)據(jù)速率更高，Maxim驅(qū)動器更可靠。圖9給出了Maxim器件在點對點網(wǎng)絡(luò)中驅(qū)動數(shù)據(jù)的速度和距離的估計值。根據(jù)經(jīng)驗，位錯誤的出現(xiàn)大約對應(yīng)于50%的抖動限制。

來自各種來源的研究數(shù)據(jù)

普遍接受的全行業(yè)距離和數(shù)據(jù)速率最大值是 4000 英尺和 10Mbps，但（當然）不是同時。然而，將最新設(shè)備與精心的系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，可以在更長的電纜長度上提供更高的吞吐量。

預(yù)加重[5]是一種提高數(shù)據(jù)速率與距離關(guān)系的技術(shù)，適用于 RS-485 通信（圖 6）。不帶驅(qū)動器預(yù)加重或接收器均衡的RS-485收發(fā)器在以10Mbps的固定數(shù)據(jù)速率工作時，通常會在1700英尺的電纜上獲得1%的抖動。以該速率添加驅(qū)動器預(yù)加重可將距離加倍至 3400 英尺，而不會增加抖動。作為替代方案，預(yù)加重可以提高給定距離的數(shù)據(jù)速率。在沒有預(yù)加重的情況下以 400kbps 運行的驅(qū)動器通常在 10 英尺處獲得 4000% 的抖動。添加預(yù)加重可讓您在該距離內(nèi)傳輸高達 800kbps。

圖6.原始標準：數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系。

計算可靠傳輸?shù)淖畲箅娎|長度的另一種方法是使用制造商提供的Cat5電纜衰減與頻率表。允許衰減的一般規(guī)則是電纜上的-6dBV。該值可以與制造商的衰減數(shù)據(jù)相結(jié)合，以計算給定頻率下的最大電纜長度。

MAX14783E

MAX14783E設(shè)計用于高速（高達42Mbps）多點工作，具有高達±35kV HBM的高ESD保護。該器件具有 12kO 輸入阻抗，允許總線上最多連接 32 個收發(fā)器 （負載）。保持多點操作并提高最大數(shù)據(jù)速率，為可靠通信提供了更強大的系統(tǒng)設(shè)計。

MAX22500E

MAX22500E、MAX22501E和MAX22502E是點對點、半（MAX22500E/MAX22501E）和全雙工（MAX22502E）收發(fā)器，集成預(yù)加重（僅MAX22500E和MAX22502E），優(yōu)化數(shù)據(jù)速率高達100Mbps。

MAX22500E（圖6）具有由外部電阻設(shè)置的預(yù)加重間隔度。邏輯接口采用與RS-485收發(fā)器不同的電源供電，允許在1.8V至5V之間實現(xiàn)靈活的邏輯電平。

MAX22501E（圖7）不包括預(yù)加重或靈活的邏輯電平，但提供簡單的高速RS-485接口，數(shù)據(jù)速率高達100Mbps。該產(chǎn)品最適合短距離電纜，預(yù)加重的好處可以忽略不計。

圖7.MAX22500E和MAX22501E應(yīng)用電路

MAX22502E（圖8）為全雙工收發(fā)器，最大數(shù)據(jù)速率與MAX100E和MAX22500E相同，為22501Mbps。它還具有由外部電阻器設(shè)置的集成預(yù)加重功能。

圖8.MAX22502E應(yīng)用電路

是否需要預(yù)加重取決于電纜長度。長電纜會使接收端的信號失真，從而導(dǎo)致ISI。預(yù)加重通過提高每個過渡沿的差分信號幅度來降低ISI，從而抵消電纜的高頻衰減。短電纜不需要預(yù)加重，但在使用短電纜時，只會降低眼圖上的抖動。注意，圖22500中MAX8E的數(shù)據(jù)表明了這種關(guān)系。這些測試顯示了可以通過一段 TIA/EIA-568-B Cat6 電纜傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率，同時保持誤碼率低于每 100 億位 （BER<1E-08） 的一個錯誤。

圖9.MAX22500E的最大數(shù)據(jù)速率與電纜長度數(shù)據(jù)的關(guān)系

提示和技巧

可用的RS-485收發(fā)器具有多種可增強系統(tǒng)性能的特性：

預(yù)強調(diào)：減少長距離通信的ISI。

減少單位負載接收器：低負載器件可低至 1/8 單位負載，可在一條總線上實現(xiàn)多達 256 個器件。此類器件還可以實現(xiàn)較低的總線負載，從而允許更長的電纜或更高的數(shù)據(jù)速率。

高速設(shè)備：目前可用的驅(qū)動程序能夠?qū)崿F(xiàn)高達100Mbps的數(shù)據(jù)速率，特別注意低傳播延遲和低偏斜。

ESD保護：這不會提高數(shù)據(jù)速率，但可能是工作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)速率為零（損壞）的系統(tǒng)之間的差異。可用器件提供高達 ±35kV 的內(nèi)置 ESD 保護。

正確接線[6]RS-485規(guī)定了差分傳輸，除了一根地線（通常是24AWG雙絞線）外，還需要兩根信號線來傳輸信號。兩根信號線以差分方式傳輸信號，由于具有出色的共模抑制性能，大大減少了輻射EMI和EMI拾取的問題。該導(dǎo)線的共同特性阻抗在100Ω和120Ω之間，這也是用于端接電纜兩端的電阻，以減少反射和其他傳輸線效應(yīng)。圖 10 和 11 顯示了正確接線的系統(tǒng)。

圖 10.單發(fā)送，單接收網(wǎng)絡(luò)。

圖 11.多收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

RS-485網(wǎng)絡(luò)可以在電氣噪聲環(huán)境中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過考慮數(shù)據(jù)速率和電纜長度之間的權(quán)衡，您可以設(shè)計一個系統(tǒng)，在數(shù)百米長的電纜上實現(xiàn)超過100Mbps的數(shù)據(jù)速率，并且沒有中繼器。

審核編輯：郭婷