如何為工業(yè)系統(tǒng)擴展 RS-485 網(wǎng)絡的范圍

作者：模擬 IC 設計工程師 MICHAEL JACKSON 和Maxim Integrated應用、工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務部總監(jiān) SEAN LONG?

隨著現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境變得越來越大和越來越復雜，生產(chǎn)工程師在自動化工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設計和布局方面面臨挑戰(zhàn)，特別是在通信網(wǎng)絡可靠性、范圍和數(shù)據(jù)速率方面。然而，在惡劣、嘈雜的環(huán)境中經(jīng)受住時間考驗的一種網(wǎng)絡協(xié)議是 RS-485，而信號調(diào)理和處理方面的最新進展將確保它繼續(xù)這樣做。

本文將簡要回顧最初的 RS-485 規(guī)范并介紹其相對優(yōu)勢和劣勢。然后，它將展示如何擴展其功能以滿足現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議的需求。

RS-485 的演進20 多年來，PROFIBUS 等常見網(wǎng)絡協(xié)議使用 RS-485 標準在惡劣、電噪聲的工業(yè)環(huán)境中跨物理介質(zhì)傳輸電信號（圖 1）。

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然而，隨著這些網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展和演變，最初的 RS-485 規(guī)范正被推向其極限（甚至超越）。

最初的 ANSI/TIA/EIA-485-A-1998 標準，現(xiàn)在通常稱為 RS-485，于 1998 年 3 月獲得批準。RS-485 是一種雙向、半雙工標準，具有多個“總線”驅(qū)動器和接收器，其中每個司機都可以放棄公共汽車。RS-485 是一種純電氣物理層 (PHY) 標準，它依賴于差分信號來實現(xiàn)抗噪性，通常在平衡傳輸電纜上，例如非屏蔽雙絞線 (UTP)。

在 –7V 至 12V 總線共模范圍內(nèi)，接收器輸入靈敏度為 ±200mV，這意味著要識別“標記”（邏輯 1）或“空格”（邏輯 0），接收器必須看到信號電平高于 200 mV 或低于 –200 mV。最大接收器輸入阻抗為 12 kΩ，驅(qū)動器輸出電壓最小為 ±1.5 V，最大為 ±5 V。圖 2 列出了原始 RS-485 標準中的關(guān)鍵規(guī)范。

圖 2：原始 RS-485 規(guī)范的最大數(shù)據(jù)速率為 10 Mbits/s，可在 10 m 至 15 m 的短距離內(nèi)實現(xiàn)?，F(xiàn)代實現(xiàn)在幾米范圍內(nèi)可實現(xiàn)高達 40 Mbits/s 的速度。

RS-485 的優(yōu)缺點RS-485 因其差分特性而常用于工業(yè)環(huán)境中設備之間的信號傳輸，可確保在工廠環(huán)境中典型的惡劣和嘈雜的電場/磁場中具有高抗噪性。然而，雖然最初的標準被定義為以高達 10 Mbits/s 的速度和高達 1.2 公里的距離運行，但這些無法同時實現(xiàn)。在相對較短的距離（10 m 至 15 m）上可實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率。估計數(shù)據(jù)速率和距離之間折衷的經(jīng)驗法則是，數(shù)據(jù)速率（以比特/秒為單位）與距離（以米為單位）的乘積不應超過 1 × 10 8。

工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議要求以不斷提高的數(shù)據(jù)速率運行，這意味著現(xiàn)代 RS-485 收發(fā)器的設計人員已將原始規(guī)范遠遠超出其原始限制?，F(xiàn)代收發(fā)器以原始規(guī)格的倍數(shù)工作的情況并不少見——例如，30 Mbits/s 到 40 Mbits/s。這些數(shù)據(jù)速率只能在相對較短的距離（大約幾米）內(nèi)實現(xiàn)。然而，現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性要求信號在中等距離（最長 100 m）上以更高的速度傳播。為此，需要重新檢查 RS-485 的實施。

更長距離的更高速度工程師指出，符號間干擾主要限制了 RS-485 通信的最大距離，而預加重可以非常有效地減少這種干擾。預加重應用于傳輸信號的源頭，在電信道之前，并提高目的地的信號質(zhì)量。該技術(shù)很常見。例如，在 IC 布局程序中，預加重調(diào)整線寬以補償拐角處發(fā)生的蝕刻速率變化。在磁盤驅(qū)動器控制器中，預加重可補償磁盤中心附近較差的頻率響應。另一種類型的預加重通過在錄制時增強中高頻音頻頻帶中的低電平信號，然后在回放過程中反轉(zhuǎn)此過程來減少磁帶嘶嘶聲。?

基于這一發(fā)現(xiàn)，工程師開發(fā)了包含內(nèi)部預加重的 RS-485 收發(fā)器，以進一步擴展現(xiàn)代設備的功能，使其超越其已經(jīng)先進的性能，并遠遠超出原始規(guī)范。例如，現(xiàn)代設備顯示能夠在 10 m 上傳輸超過 100 Mbits/s（圖 3）。

圖 3：現(xiàn)代 RS-485 收發(fā)器使用 Cat5e UTP 電纜可在 10 m 范圍內(nèi)實現(xiàn) 100 Mbits/s 且具有良好的眼圖張開度。（2.5 ns/div 的刻度）

如所示眼圖（圖 3）中約 ±2 V 的差分電壓電平（測量值遠高于標準中規(guī)定的最小 ±200 mV）所示，該器件在 10米的 Cat5e 電纜（根據(jù)所選電纜的選擇，可能甚至更長的距離）。

通過較長的工廠網(wǎng)絡電纜運行也可以獲得相對較高的數(shù)據(jù)傳輸速率：在 100 m 電纜上高達 50 Mbits/s。盡管不那么明顯，但在此速度下（約 ±0.7 V）的眼圖張開仍然大于原始 RS-485 標準定義的最小電壓電平（圖 4）。

圖 4：在長達 100 m 的較長工廠電纜運行中，RS-485 可以達到 50 Mbits/s，再次使用 Cat5e，盡管眼圖張開可能不那么明顯。（比例為 5ns/div）

使用預加重，收發(fā)器的性能——在這種情況下是 Maxim Integrated 的 MAX22500E——可以在這些更長的距離上進一步提高（圖 5）。

圖 5： 使用預加重，在 100 m 以 50 Mbits/s 運行時，眼圖張開顯著改善，從 ±0.7 V 變?yōu)?±1 V。（以 5ns/div 縮放）

速度和距離與圖 4相同，但啟用預加重功能會增加電壓電平，因此圖中的眼圖張開明顯更明顯。

這種實現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)傳輸預加重的能力為設備設計人員提供了額外的靈活性，可以使用 RS-485 接口實現(xiàn)所需的速度與距離性能水平。

MAX22500E 等現(xiàn)代 RS-485 器件的其他特性包括 –15-V 至 15-V 共模范圍和集成 ESD 保護至 ±15-kV ESD 保護（人體模型）、±7-kV IEC 61000-4-2 氣隙 ESD 保護、±6kV IEC 61000-4-2 接觸放電 ESD 保護以及驅(qū)動器輸出的短路保護。

結(jié)論盡管 RS-485 穩(wěn)健可靠，但在速度和可達到的距離之間需要進行重大權(quán)衡?，F(xiàn)代收發(fā)器使用預加重和其他技術(shù)在全雙工或半雙工模式下，在 10 m 電纜上提供高達 100 Mbits/s 的可靠數(shù)據(jù)傳輸，在 100 m 上提供高達 50 Mbits/s 的可靠數(shù)據(jù)傳輸。這意味著工業(yè)自動化和控制設備的設計人員可以自信地計劃在可預見的未來繼續(xù)使用 RS-485 作為復雜工業(yè)環(huán)境中的通信接口。

審核編輯 黃昊宇