電平標(biāo)準(zhǔn)RS485接口學(xué)習(xí)筆記

電平標(biāo)準(zhǔn)RS485接口學(xué)習(xí)

一、RS485概述

1）RS485:其主要特征：平衡接口、多點(diǎn)multipoint應(yīng)用（多達(dá)32個(gè)單位負(fù)載）、半雙工/雙工通信、-7V到+12V總線(xiàn)共模范圍、最大數(shù)據(jù)速率10Mbps@10m，最長(zhǎng)線(xiàn)纜長(zhǎng)度1000米以上@100Kbps。

2）RS485可認(rèn)為僅定義“物理層”標(biāo)準(zhǔn)，其僅定義了相關(guān)的電氣特性，因此也可被其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)借用為其物理層接口，同時(shí)RS485是為了解決RS422多點(diǎn)拓?fù)鋯?wèn)題而生，其電氣特性兼容RS422接口，其收發(fā)器大部分可用于RS422的接口。

3）RS485相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)： TIA/EIA-485規(guī)范，全稱(chēng)平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接收器電氣特性，英文Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems。

4）使用場(chǎng)景：支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器多個(gè)接收器，具有高魯棒性和可靠性，在全球嘈雜工業(yè)環(huán)境中接口應(yīng)用廣泛。

二、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RS485是多點(diǎn)（multipoint）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與M-LVDS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，這種方式要求在布線(xiàn)過(guò)程中使用類(lèi)似于菊花鏈的方式鏈接相關(guān)節(jié)點(diǎn)（即圍繞一個(gè)主干線(xiàn)，所有的驅(qū)動(dòng)器、接收器通過(guò)很短存根接入），在主干線(xiàn)最遠(yuǎn)兩端放置端接電阻，如下圖所示。

1）多點(diǎn)（multipoint）半雙工拓?fù)涮卣魅缦聢D所示：

N*RS485驅(qū)動(dòng)器、

N*RS485接收器、

1*RS485差分傳輸介質(zhì)（半雙工總線(xiàn)中使用1對(duì)2根傳輸介質(zhì)）、

2*端接匹配電阻（放置在一對(duì)傳輸線(xiàn)兩端）、

需要通過(guò)方向控制信號(hào)（例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào)）對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，確保在任何時(shí)候總線(xiàn)上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài)；

2）多點(diǎn)（multipoint）全雙工拓?fù)涮卣魅缦聢D所示：

N*RS485驅(qū)動(dòng)器、

N*RS485接收器、

2*RS485差分傳輸介質(zhì)（全雙工總線(xiàn)中使用2對(duì)四根傳輸線(xiàn)）、

2*2端接匹配電阻（2@1對(duì)傳輸介質(zhì)兩端，2對(duì)傳輸介質(zhì)）、

全雙工雙向通信@2對(duì)傳輸介質(zhì)；

全雙工模式允許節(jié)點(diǎn)在一個(gè)對(duì)上發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)在另一個(gè)對(duì)上接收數(shù)據(jù)，需要通過(guò)方向控制信號(hào)（例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào)）對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，確保在任何時(shí)候總線(xiàn)上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài)；

三、工作原理

RS485的工作原理與LVDS基本類(lèi)似，如下圖所示，但LVDS屬于電流驅(qū)動(dòng)型（由恒流源驅(qū)動(dòng)），而RS485屬于電壓驅(qū)動(dòng)型（由電壓源驅(qū)動(dòng)），這屬于比較大的區(qū)別。

如上圖所示，RS485發(fā)送端包含一個(gè)H橋電路，當(dāng)輸入D為高電平時(shí)，打開(kāi)Q2和Q3，則A端口為高電平，B端口為低電平，兩者之間形成A到B的電流，A到B兩端的電壓VOD是VCC電壓分壓的結(jié)果，RD與Q2、Q3的導(dǎo)通阻抗以及通路上的二極管進(jìn)行分壓，反之亦然。RS485輸入端可看作一個(gè)比較器電路。

四、電氣特性

1）輸出特性（對(duì)發(fā)送端來(lái)說(shuō)）

對(duì)RS485而言，同相輸出信號(hào)VA,反相輸出信號(hào)VB,這里面還有兩個(gè)概念，一個(gè)是差分輸出電壓VOD，一個(gè)是共模輸出電壓VOS.

VOD=“VA”-“VB”，可為正，也可為負(fù)，通常以|VOD|表示,

1.5V≤|VOD|≤5V，|VA|≤6V，|VB|≤6V；|VOS|≤3V。

一般來(lái)說(shuō)，符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器可在 54Ω 負(fù)載上提供VOD不小于 1.5V 的差分輸出。

2）輸入特性（對(duì)接收端來(lái)說(shuō)）

對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，既有與輸出類(lèi)似的輸入電壓VA和VB，也有共模電壓VCM和差分電壓VID概念，接收端針對(duì)這兩個(gè)特性分別有要求，其中：

RS485是正值邏輯，差分電壓會(huì)有個(gè)判決門(mén)限，正VID > +200 mV對(duì)應(yīng)于邏輯1，負(fù)VID < ?200 mV則對(duì)應(yīng)于邏輯0。一般200mV<|VID|<10V。

RS485共模輸入電壓范圍VCM很寬，-7V<|VCM|<12V，因此其抗干擾能力很強(qiáng)，需要特殊說(shuō)明的是VCM=VOS+GPD，其中VOS是輸出端的共模電壓，GPD全稱(chēng)ground potential difference，是指接收端和驅(qū)動(dòng)端的地電勢(shì)之差，一般RS485要求的GPD在±7V之間，因此雖然RS485的發(fā)送端和接收端雖然可忍受較大范圍的GPD，但還需要進(jìn)行共地處理的，關(guān)于共地的接法沒(méi)有一個(gè)很統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)：對(duì)于RS485接口，因其GPD允許范圍較大，有種做法是驅(qū)動(dòng)端和發(fā)送端分的信號(hào)數(shù)字地DGND分別與各自產(chǎn)品端的KGND通過(guò)電阻等單點(diǎn)連接，而系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)產(chǎn)品端的KGND是可靠連通的；也可以將驅(qū)動(dòng)端和接收端的接口芯片DGND，通過(guò)單獨(dú)走PCB走線(xiàn)引到對(duì)外接口上，從而實(shí)現(xiàn)兩端DGND連通，單獨(dú)引出一個(gè)DGND信號(hào)有可能會(huì)帶來(lái)成本增加，也可能在DGND回路產(chǎn)生較大電流，從而增加共模噪聲的影響。

需要特別說(shuō)明的是，如果差分電壓在±200mV兩個(gè)閾值之間，則RS485接收器輸出為未定義態(tài)，可能為高電平或低電平，比如說(shuō)RS485開(kāi)路(線(xiàn)纜中斷或者收發(fā)器從總線(xiàn)斷開(kāi))、短路（差分對(duì)的導(dǎo)線(xiàn)因絕緣層失效而接觸在一起）、總線(xiàn)空閑（所有總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器均未處于活動(dòng)狀態(tài)）時(shí)。這種情況被稱(chēng)為fail-safe，通常fail-safe有兩種方式，一種是新類(lèi)型器件內(nèi)置了fail-safe保護(hù)，對(duì)判決門(mén)限進(jìn)行了偏置；另一種是外置fail-safe保護(hù)，即通過(guò)上下拉電阻分壓方式，確保在差分信號(hào)線(xiàn)上產(chǎn)生足夠的總線(xiàn)差分電壓，從而使得接收器可產(chǎn)生一個(gè)確定的輸出狀態(tài)，如下圖所示。

3）傳輸線(xiàn)

傳輸距離：RS485傳輸距離較LVDS更長(zhǎng)，可達(dá)1000m以上，其傳輸速率能夠達(dá)到10Mbps這樣的速率，當(dāng)然如下圖所示，其傳輸速率與傳輸距離是成反比的，當(dāng)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度1000m時(shí)，速率最大100Kbps左右，準(zhǔn)確的距離還受傳輸介質(zhì)、阻抗匹配等影響，需要通過(guò)仿真去評(píng)估。

傳輸介質(zhì)：傳輸線(xiàn)可以為導(dǎo)線(xiàn)，也可以為PCB走線(xiàn)，其傳輸線(xiàn)纜推薦用雙絞線(xiàn)，傳輸特性阻抗120歐姆，不一定必須要屏蔽雙絞線(xiàn)。

端接電阻：端接電阻通常與傳輸線(xiàn)纜特性阻抗匹配，因此端接電阻選擇120Ω，放置在傳輸線(xiàn)最遠(yuǎn)兩端各一個(gè)。在噪聲環(huán)境下的應(yīng)用時(shí)可以將120Ω端接電阻替換為兩個(gè)60Ω電阻串聯(lián)，中間接小電容到地，組成一個(gè)低通濾波器，用于提供額外的濾除共模噪聲能力，電阻電容需要選擇精度高的，以免濾波頻率發(fā)生較大變化。

五、應(yīng)用說(shuō)明

1）應(yīng)用場(chǎng)景：多點(diǎn)半雙工/全雙工傳輸，RS485速率最高可＞10Mbps，傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)到1000m左右，但需要關(guān)注速率、傳輸介質(zhì)與傳輸距離的關(guān)系等；

2）原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注每對(duì)傳輸介質(zhì)兩端均并聯(lián)端接120歐電阻，同時(shí)關(guān)注RS485相關(guān)設(shè)備的共地情況，必須確保各設(shè)備的共地電勢(shì)差小于7V；

3）PCB設(shè)計(jì)時(shí)，主要關(guān)注差分信號(hào)的等長(zhǎng)、阻抗匹配120Ω，多點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)收發(fā)器按照菊花鏈方式進(jìn)行鏈接，端接電阻兩端放置，其他收發(fā)器盡量距離主傳輸線(xiàn)較近。

六、RS485與M-LVDS對(duì)比說(shuō)明

注：相關(guān)信息來(lái)自TI、ADI等網(wǎng)站。