设计指南 763

RS-485 (TIA/EIA-485-A)网络连接指南


摘要 : 介绍RS-485网络的正确连接方法,包括双绞线布线及正确安装匹配电阻的建议。列出了正确端接和错误端接下的接收器波形。给出了从简单的单发送器/多接收器网络到多个收发器及多个分支电路的配置。

本应用笔记提供连接RS-485网络的基本指南。RS-485规范(官方称为TIA/EIA-485-A)没有特别规定应该如何连接RS-485网络。尽管如此,规范还是给出了一些指南。这些指南和良好的工程实践是本应用笔记的基础。然而,本文提出的建议并不能涵盖设计网络的所有不同方式。

RS-485在多个位置之间发送数字信息。数据率可高达10Mbps,有时候甚至更高。RS-485设计主要用于在较长距离内传输信息,其能力完全可满足1000米的距离。RS-485能够成功实现的传输距离和数据率很大程度上依赖于系统的接线方法。

接线

RS-485的设计为平衡系统。简单地说,使用两根线传输信号,没有地。

图1. 平衡系统使用两根线传输数据,没有地。图1. 平衡系统使用两根线传输数据,没有地。

系统之所以称为是平衡的,是因为理想情况下其中一根线上的信号与另一根线上的信号严格相反。也就是说,如果一根线发送的为高电平,另一根线将发送低电平,反之亦然,见图2。

图2. 平衡系统中两根线上的信号严格相反。图2. 平衡系统中两根线上的信号严格相反。

尽管RS-485可使用多种类型的介质进行成功传输,但应使用通常称为“双绞线”的接线方法。

什么是双绞线?为什么使用双绞线?

顾名思义,双绞线是一对等长、缠绕在一起的电线。RS-485兼容的发送器与双绞线配合使用可降低设计高速长距离网络的两个主要故障源:辐射EMI和接收EMI。

辐射EMI
如图3所示,当利用快速变化的边沿发送信息时,就会产生高频成分。由于RS-485能够以较高数据率进行传输,快速变化的边沿就必不可少。

图3. 125kHz方波及其FFT图。图3. 125kHz方波及其FFT图。

快速变化的边沿中不可避免的高频成分与长连接线相耦合,会产生辐射EMI。采用双绞线的平衡系统使系统成为没有效率的辐射体,可降低这种影响。其工作原理很简单:由于传输线上的信号相等、极性相反,每根线上辐射的信号也相当、极性相反。这就存在彼此抵消的效果,意味着不存在净辐射EMI。然而,这种结果基于一个前提:连接线长度严格相等、位置严格相同。由于两根线不可能同时处于相同的位置,所以两根线应尽量彼此靠近。将两根线缠绕在一起,之间的距离就非常有限,有助于抵消剩余的EMI。

接收EMI
接收EMI基本上与辐射EMI的问题相同,但方向相反。RS-485系统中使用的线缆也作为天线接收有害信号。这些有害信号会造成有用信号失真,如果足够严重,会引起数据错误。与双绞线有助于防止辐射EMI的原因相同,双绞线也有助于降低接收EMI的影响。由于两根线彼此靠近并缠绕在一起,一根线上接收的噪声将倾向于与另一个线上接收的噪声相同。这种类型的噪声被称为“共模噪声”。由于RS-485接收器设计用于检测彼此极性相反的信号,所以很容易抑制共模噪声。

双绞线的特征阻抗

根据电缆的几何结构以及所用绝缘材料的不同,双绞线的“特征阻抗”一般由制造商给出。RS-485规范推荐但没有特别规定特征阻抗应为120Ω。推荐这一阻抗是RS-485规范中计算最差工作条件负载以及共模电压范围所必需的。规范没有特别规定该阻抗可能是出于灵活性考虑。如果因为某种原因不能使用120Ω电缆,建议重新计算最差工作条件负载(可使用的发送器和接收器数量)和最差工作条件共模电压范围,以确保所设计的系统能够正常工作。行业标准TSB89《ATIA-EIA-485-A应用指南》1中有一章专门介绍了这些计算。

每个发送器的双绞线对数量

在理解了要求的传输线类型后,读者可能会问:一个发送器能够驱动几对双绞线?简单回答就是:只能一对。尽管发送器在特定环境条件下有可能驱动多个双绞线对,但这不符合规范。

匹配电阻

由于涉及到高频率和距离,必须严密关注传输线效应。然而,关于传输线效应和正确端接技术的详细讨论超出了本应用笔记的内容范围。因此,本文简要讨论与RS-485相关的最简单形式的匹配电阻。

匹配电阻就是安装在电缆最末端的电阻(图4)。匹配电阻值在理想情况下与电缆的特征阻抗值相同。

图4. 匹配电阻值应与双绞线的特征阻抗值相同,应安装在电缆的远端。图4. 匹配电阻值应与双绞线的特征阻抗值相同,应安装在电缆的远端。

如果匹配电阻值与连接线的特征电阻值不同,信号在电缆中传输时将发生反射。这一过程由公式(Rt - Zo)/(Zo + Rt)给出,其中Zo为电缆阻抗,Rt为匹配电阻值。尽管电缆和电阻容限会造成一定不可避免的反射,但足够大的失配会引起足以造成数据错误的较大反射,见图5。

图5. 使用上图所示的电路,左侧的波形是通过MAX3485获得的,器件驱动120Ω双绞线电缆,匹配电阻为54Ω;右侧波形为使用120Ω电阻正确端接电缆获得的波形。

图5. 使用上图所示的电路,左侧的波形是通过MAX3485获得的,器件驱动120Ω双绞线电缆,匹配电阻为54Ω;右侧波形为使用120Ω电阻正确端接电缆获得的波形。图5. 使用上图所示的电路,左侧的波形是通过MAX3485获得的,器件驱动120Ω双绞线电缆,匹配电阻为54Ω;右侧波形为使用120Ω电阻正确端接电缆获得的波形。

了解了反射之后,尽可能将匹配电阻与特征阻抗相匹配就非常重要。匹配电阻的位置也非常重要。匹配电阻应安装在电缆的远端。

此外,作为一般规则,应在电缆的两个末端均安装匹配电阻。尽管对于大多数系统设计在两端正确安装匹配电阻是非常关键的,但可以说在某种特殊情况下只需一个匹配电阻。当系统中只有单个发送器,并且发送器位于电缆远端时,在这种情况下,由于信号总是从发送器所在的电缆末端发送信号,所以不需要在该端安装匹配电阻。

网络上发送器和接收器的最大数量

最简单的RS-485网络由一个发送器和一个接收器组成,尽管这种配置在很多应用中很有用,但RS-485允许在一对双绞线上挂接多个接收器和发送器,具有更大灵活性2。允许的发送器和接收器最大数量取决于每片器件对系统形成的负载。理想情况下,所有接收器和停止发送的发送器的阻抗无限大,不会造成系统过载。但在实际应用中并不是这种情况。连接至网络的每个接收器和所有停止发送的发送器都将增加负载。

为帮助RS-485网络的设计者确定系统中可增加多少器件,创造一个称为“单位负载”的假想单位。连接至RS-485网络的所有器件都应特征化为单位负载的倍数或分数。其中两个例子是MAX3485(规定为1个单位负载)和MAX487(规定为1/4个单位负载)。假设电缆的特征阻抗为120Ω,正确端接,那么一对双绞线上允许的最大单位负载数量为32。在上例中,意味着单个网络上可挂接最多32片MAX3485或最多128片MAX487。

失效保护偏置电阻

输入介于-200mV和+200mV之间时,接收器输出“无定义”。有四种常见故障条件会造成接收器输出无定义,从而导致数据错误:

  • 系统中的所有发送器关断
  • 接收器未连接至电缆
  • 电缆开路
  • 电缆短路

利用失效保护偏置,当发生以上条件之一时,确保接收器的输出为确定状态。失效保护偏置包括同相线上的上拉电阻和反相线上的下拉电阻。偏置正确时,如果发生任意故障条件,接收器将输出有效高电平。这些失效保护偏置电阻应安装在传输线的接收器端。

Maxim的MAX13080MAX3535家族收发器不需要失效保护偏置电阻,因为器件已经集成真正的失效保护功能。真正的失效保护功能中,接收器门限范围为-50mV至-200mV,因此无需失效保护偏置电阻,同时完全符合RS-485标准。这些器件确保接收器输入为0V时产生逻辑“高”电平输出。此外,这种设计保证在线路开路或短路条件下,接收器输出状态是确定的。

正确网络示例

了解以上信息后,我们就可以设计一些RS-485网络。以下为几个例子。

一个发送器、一个接收器
最简单的网络为一个发送器和一个接收器(图6)。本例中,匹配电阻位于电缆的发送器端。尽管本例中没必要,但设计两个匹配电阻是一种好习惯。这允许发送器移动到远端之外的其它位置,并且允许在必要时将更多发送器增加至网络。

图6. 一个发送器、一个接收器的RS-485网络。图6. 一个发送器、一个接收器的RS-485网络。

一个发送器、多个接收器
图7所示为一个发送器、多个接收器的网络。本例中,使双绞线到接收器的距离尽量短是非常必要的。

图7. 一个发送器、多个接收器的RS-485网络。图7. 一个发送器、多个接收器的RS-485网络。

两个收发器
图8所示为两个收发器的网络。

图8. 两个收发器的RS-485网络。图8. 两个收发器的RS-485网络。

多个收发器
图9所示为多个收发器的网络。与图7所示的一个发送器、多个接收器网络一样,使双绞线到接收器的距离尽量短非常必要。

图9. 多个收发器的RS-485网络。图9. 多个收发器的RS-485网络。

不正确网络示例

以下是系统配置不正确的例子。每个示例中给出了从设计不正确的网络中获得的波形,并与正确系统的波形进行比较。波形是从A点和B点以差分形式(A-B)测得的。

未端接的网络
本例中,双绞线的末端未安装匹配电阻。信号沿连接线传输时,在电缆末端遇到开路。这就形成阻抗不匹配,产生发射。在开路情况下(下图所示),所有能量被反射回源端,造成波形严重失真。

图10. 未端接RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。

图10. 未端接RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。图10. 未端接RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。

错误的端接位置
图11中安装了匹配电阻,但并没有安置在电缆的最远端。信号沿连接线传输时,遇到两处阻抗不匹配。首先发生在匹配电阻处。即使电阻与电缆的特征阻抗相匹配,但电阻之后仍然有电缆。之后的电缆造成电阻不匹配,进而引起反射。第二次不匹配发生在未端接电缆的末端,造成进一步反射。

图11. 匹配电阻位置错误的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。

图11. 匹配电阻位置错误的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。图11. 匹配电阻位置错误的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及正确端接网络获得的波形(右图)。

多根电缆
图12所示的布局中存在多种问题。RS-485驱动器的设计目的是驱动单对、正确端接的双绞线。本例中,发送器驱动4对并联的双绞线。这意味着不能保证要求的最低逻辑电平。除负载大之外,多根电缆的连接点存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味着反射,进而造成信号失真。

图12. 不正确使用多对双绞线的RS-485网络。
图12. 不正确使用多对双绞线的RS-485网络。

分支过长
图13中,电缆端接正确,发送器仅驱动一对双绞线。然而,接收器的连接点(分支)过长。长分支造成明显的阻抗不匹配,进而引起反射。所有分支应保证尽量短。

图13. 分支长达10英尺的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及短分支获得的波形(右图)。

图13. 分支长达10英尺的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及短分支获得的波形(右图)。图13. 分支长达10英尺的RS-485网络(上图)及其产生的波形(左图),以及短分支获得的波形(右图)。

参考

  1. TSB89, TIA/EIA-485-A应用指南,可在以下网址查找标准:www.global.ihs.com。
  2. 更多信息请参考TIA/EIA-485-A 平衡数字多点系统中发生器和接收器的电气特性,可在以下网址查找标准:www.global.ihs.com。

 

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