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摘要
介紹RS-485網(wǎng)絡(luò)的正確連接方法急膀，包括雙絞線布線及正確安裝匹配電阻的建議聚请。列出了正確端接和錯誤端接下的接收器波形。給出了從簡單的單發(fā)送器/多接收器網(wǎng)絡(luò)到多個收發(fā)器及多個分支電路的配置涡拘。
本應(yīng)用筆記提供連接RS-485網(wǎng)絡(luò)的基本指南疼电。RS-485規(guī)范(官方稱為TIA/EIA-485-A)沒有特別規(guī)定應(yīng)該如何連接RS-485網(wǎng)絡(luò)嚼锄。盡管如此，規(guī)范還是給出了一些指南蔽豺。這些指南和良好的工程實踐是本應(yīng)用筆記的基礎(chǔ)区丑。然而，本文提出的建議并不能涵蓋設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的所有不同方式修陡。
RS-485在多個位置之間發(fā)送數(shù)字信息沧侥。數(shù)據(jù)率可高達(dá)10Mbps，有時候甚至更高魄鸦。RS-485設(shè)計主要用于在較長距離內(nèi)傳輸信息宴杀，其能力完全可滿足1000米的距離。RS-485能夠成功實現(xiàn)的傳輸距離和數(shù)據(jù)率很大程度上依賴于系統(tǒng)的接線方法拾因。
接線
RS-485的設(shè)計為平衡系統(tǒng)旺罢。簡單地說，使用兩根線傳輸信號绢记，沒有地主经。
系統(tǒng)之所以稱為是平衡的罩驻，是因為理想情況下其中一根線上的信號與另一根線上的信號嚴(yán)格相反。也就是說护赊，如果一根線發(fā)送的為高電平惠遏，另一根線將發(fā)送低電平，反之亦然骏啰，見圖2节吮。
盡管RS-485可使用多種類型的介質(zhì)進(jìn)行成功傳輸判耕，但應(yīng)使用通常稱為“雙絞線”的接線方法透绩。
什么是雙絞線？為什么使用雙絞線？
顧名思義帚豪，雙絞線是一對等長碳竟、纏繞在一起的電線。RS-485兼容的發(fā)送器與雙絞線配合使用可降低設(shè)計高速長距離網(wǎng)絡(luò)的兩個主要故障源：輻射EMI和接收EMI狸臣。
輻射EMI
如圖3所示莹桅，當(dāng)利用快速變化的邊沿發(fā)送信息時，就會產(chǎn)生高頻成分烛亦。由于RS-485能夠以較高數(shù)據(jù)率進(jìn)行傳輸诈泼，快速變化的邊沿就必不可少。
快速變化的邊沿中不可避免的高頻成分與長連接線相耦合铐达，會產(chǎn)生輻射EMI。采用雙絞線的平衡系統(tǒng)使系統(tǒng)成為沒有效率的輻射體檬果，可降低這種影響瓮孙。其工作原理很簡單：由于傳輸線上的信號相等、極性相反汁汗，每根線上輻射的信號也相當(dāng)衷畦、極性相反栗涂。這就存在彼此抵消的效果知牌，意味著不存在凈輻射EMI。然而斤程，這種結(jié)果基于一個前提：連接線長度嚴(yán)格相等角寸、位置嚴(yán)格相同。由于兩根線不可能同時處于相同的位置忿墅，所以兩根線應(yīng)盡量彼此靠近扁藕。將兩根線纏繞在一起，之間的距離就非常有限疚脐，有助于抵消剩余的EMI亿柑。
接收EMI
接收EMI基本上與輻射EMI的問題相同，但方向相反棍弄。RS-485系統(tǒng)中使用的線纜也作為天線接收有害信號望薄。這些有害信號會造成有用信號失真，如果足夠嚴(yán)重呼畸，會引起數(shù)據(jù)錯誤痕支。與雙絞線有助于防止輻射EMI的原因相同，雙絞線也有助于降低接收EMI的影響蛮原。由于兩根線彼此靠近并纏繞在一起卧须，一根線上接收的噪聲將傾向于與另一個線上接收的噪聲相同。這種類型的噪聲被稱為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設(shè)計用于檢測彼此極性相反的信號花嘶，所以很容易抑制共模噪聲笋籽。
雙絞線的特征阻抗
根據(jù)電纜的幾何結(jié)構(gòu)以及所用絕緣材料的不同，雙絞線的“特征阻抗”一般由制造商給出察绷。RS-485規(guī)范推薦但沒有特別規(guī)定特征阻抗應(yīng)為120Ω干签。推薦這一阻抗是RS-485規(guī)范中計算最差工作條件負(fù)載以及共模電壓范圍所必需的。規(guī)范沒有特別規(guī)定該阻抗可能是出于靈活性考慮拆撼。如果因為某種原因不能使用120Ω電纜容劳，建議重新計算最差工作條件負(fù)載(可使用的發(fā)送器和接收器數(shù)量)和最差工作條件共模電壓范圍，以確保所設(shè)計的系統(tǒng)能夠正常工作闸度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TSB89《ATIA-EIA-485-A應(yīng)用指南》1中有一章專門介紹了這些計算竭贩。
每個發(fā)送器的雙絞線對數(shù)量
在理解了要求的傳輸線類型后，讀者可能會問：一個發(fā)送器能夠驅(qū)動幾對雙絞線莺禁？簡單回答就是：只能一對留量。盡管發(fā)送器在特定環(huán)境條件下有可能驅(qū)動多個雙絞線對，但這不符合規(guī)范哟冬。
匹配電阻
由于涉及到高頻率和距離楼熄，必須嚴(yán)密關(guān)注傳輸線效應(yīng)。然而浩峡，關(guān)于傳輸線效應(yīng)和正確端接技術(shù)的詳細(xì)討論超出了本應(yīng)用筆記的內(nèi)容范圍可岂。因此，本文簡要討論與RS-485相關(guān)的最簡單形式的匹配電阻翰灾。
匹配電阻就是安裝在電纜最末端的電阻(圖4)缕粹。匹配電阻值在理想情況下與電纜的特征阻抗值相同。
由于涉及到高頻率和距離纸淮，必須嚴(yán)密關(guān)注傳輸線效應(yīng)平斩。然而，關(guān)于傳輸線效應(yīng)和正確端接技術(shù)的詳細(xì)討論超出了本應(yīng)用筆記的內(nèi)容范圍咽块。因此绘面，本文簡要討論與RS-485相關(guān)的最簡單形式的匹配電阻。
匹配電阻就是安裝在電纜最末端的電阻(圖4)侈沪。匹配電阻值在理想情況下與電纜的特征阻抗值相同揭璃。
如果匹配電阻值與連接線的特征電阻值不同塘辅，信號在電纜中傳輸時將發(fā)生反射。這一過程由公式(Rt - Zo)/(Zo + Rt)給出皆撩，其中Zo為電纜阻抗扣墩，Rt為匹配電阻值哲银。盡管電纜和電阻容限會造成一定不可避免的反射，但足夠大的失配會引起足以造成數(shù)據(jù)錯誤的較大反射呻惕，見圖5荆责。
了解了反射之后键耕，盡可能將匹配電阻與特征阻抗相匹配就非常重要。匹配電阻的位置也非常重要柑营。匹配電阻應(yīng)安裝在電纜的遠(yuǎn)端屈雄。
此外，作為一般規(guī)則官套，應(yīng)在電纜的兩個末端均安裝匹配電阻酒奶。盡管對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計在兩端正確安裝匹配電阻是非常關(guān)鍵的，但可以說在某種特殊情況下只需一個匹配電阻奶赔。當(dāng)系統(tǒng)中只有單個發(fā)送器惋嚎，并且發(fā)送器位于電纜遠(yuǎn)端時，在這種情況下站刑，由于信號總是從發(fā)送器所在的電纜末端發(fā)送信號另伍，所以不需要在該端安裝匹配電阻。
網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送器和接收器的最大數(shù)量
最簡單的RS-485網(wǎng)絡(luò)由一個發(fā)送器和一個接收器組成笛钝，盡管這種配置在很多應(yīng)用中很有用质况，但RS-485允許在一對雙絞線上掛接多個接收器和發(fā)送器愕宋，具有更大靈活性2玻靡。允許的發(fā)送器和接收器最大數(shù)量取決于每片器件對系統(tǒng)形成的負(fù)載。理想情況下中贝，所有接收器和停止發(fā)送的發(fā)送器的阻抗無限大囤捻，不會造成系統(tǒng)過載。但在實際應(yīng)用中并不是這種情況邻寿。連接至網(wǎng)絡(luò)的每個接收器和所有停止發(fā)送的發(fā)送器都將增加負(fù)載蝎土。
為幫助RS-485網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計者確定系統(tǒng)中可增加多少器件，創(chuàng)造一個稱為“單位負(fù)載”的假想單位绣否。連接至RS-485網(wǎng)絡(luò)的所有器件都應(yīng)特征化為單位負(fù)載的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)誊涯。其中兩個例子是MAX3485(規(guī)定為1個單位負(fù)載)和MAX487(規(guī)定為1/4個單位負(fù)載)。假設(shè)電纜的特征阻抗為120Ω蒜撮，正確端接暴构，那么一對雙絞線上允許的最大單位負(fù)載數(shù)量為32跪呈。在上例中，意味著單個網(wǎng)絡(luò)上可掛接最多32片MAX3485或最多128片MAX487取逾。
失效保護(hù)偏置電阻
輸入介于-200mV和+200mV之間時耗绿，接收器輸出“無定義”。有四種常見故障條件會造成接收器輸出無定義砾隅，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤：
- 系統(tǒng)中的所有發(fā)送器關(guān)斷
- 接收器未連接至電纜
- 電纜開路
- 電纜短路
利用失效保護(hù)偏置误阻，當(dāng)發(fā)生以上條件之一時，確保接收器的輸出為確定狀態(tài)晴埂。失效保護(hù)偏置包括同相線上的上拉電阻和反相線上的下拉電阻究反。偏置正確時，如果發(fā)生任意故障條件儒洛，接收器將輸出有效高電平奴紧。這些失效保護(hù)偏置電阻應(yīng)安裝在傳輸線的接收器端。
Maxim的MAX13080和MAX3535家族收發(fā)器不需要失效保護(hù)偏置電阻晶丘，因為器件已經(jīng)集成真正的失效保護(hù)功能黍氮。真正的失效保護(hù)功能中，接收器門限范圍為-50mV至-200mV浅浮，因此無需失效保護(hù)偏置電阻沫浆，同時完全符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)。這些器件確保接收器輸入為0V時產(chǎn)生邏輯“高”電平輸出滚秩。此外专执，這種設(shè)計保證在線路開路或短路條件下，接收器輸出狀態(tài)是確定的郁油。
正確網(wǎng)絡(luò)示例
了解以上信息后本股，我們就可以設(shè)計一些RS-485網(wǎng)絡(luò)。以下為幾個例子桐腌。
一個發(fā)送器拄显、一個接收器
最簡單的網(wǎng)絡(luò)為一個發(fā)送器和一個接收器(圖6)。本例中案站，匹配電阻位于電纜的發(fā)送器端躬审。盡管本例中沒必要，但設(shè)計兩個匹配電阻是一種好習(xí)慣蟆盐。這允許發(fā)送器移動到遠(yuǎn)端之外的其它位置承边，并且允許在必要時將更多發(fā)送器增加至網(wǎng)絡(luò)。
一個發(fā)送器、多個接收器
圖7所示為一個發(fā)送器痹愚、多個接收器的網(wǎng)絡(luò)富岳。本例中罗心，使雙絞線到接收器的距離盡量短是非常必要的。
兩個收發(fā)器
圖8所示為兩個收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。
多個收發(fā)器
圖9所示為多個收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)飒箭。與圖7所示的一個發(fā)送器、多個接收器網(wǎng)絡(luò)一樣蜒灰，使雙絞線到接收器的距離盡量短非常必要弦蹂。
不正確網(wǎng)絡(luò)示例
以下是系統(tǒng)配置不正確的例子强窖。每個示例中給出了從設(shè)計不正確的網(wǎng)絡(luò)中獲得的波形凸椿，并與正確系統(tǒng)的波形進(jìn)行比較。波形是從A點和B點以差分形式(A-B)測得的翅溺。
未端接的網(wǎng)絡(luò)
本例中脑漫，雙絞線的末端未安裝匹配電阻。信號沿連接線傳輸時咙崎，在電纜末端遇到開路优幸。這就形成阻抗不匹配，產(chǎn)生發(fā)射褪猛。在開路情況下(下圖所示)网杆，所有能量被反射回源端，造成波形嚴(yán)重失真伊滋。
錯誤的端接位置
圖11中安裝了匹配電阻笑旺，但并沒有安置在電纜的最遠(yuǎn)端昼浦。信號沿連接線傳輸時，遇到兩處阻抗不匹配燥撞。首先發(fā)生在匹配電阻處座柱。即使電阻與電纜的特征阻抗相匹配迷帜，但電阻之后仍然有電纜物舒。之后的電纜造成電阻不匹配，進(jìn)而引起反射戏锹。第二次不匹配發(fā)生在未端接電纜的末端冠胯，造成進(jìn)一步反射。
多根電纜
圖12所示的布局中存在多種問題置蜀。RS-485驅(qū)動器的設(shè)計目的是驅(qū)動單對、正確端接的雙絞線悉盆。本例中盯荤，發(fā)送器驅(qū)動4對并聯(lián)的雙絞線。這意味著不能保證要求的最低邏輯電平焕盟。除負(fù)載大之外秋秤，多根電纜的連接點存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味著反射脚翘，進(jìn)而造成信號失真灼卢。
分支過長
圖13中来农，電纜端接正確鞋真，發(fā)送器僅驅(qū)動一對雙絞線。然而沃于，接收器的連接點(分支)過長涩咖。長分支造成明顯的阻抗不匹配，進(jìn)而引起反射繁莹。所有分支應(yīng)保證盡量短抠藕。
參考
1.TSB89, TIA/EIA-485-A應(yīng)用指南盾似。
2.更多信息請參考TIA/EIA-485-A 平2衡數(shù)字多點系統(tǒng)中發(fā)生器和接收器的電氣特性。
