本文可以作為正確連接RS485網(wǎng)絡(luò)的基本指南。RS485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RS485網(wǎng)絡(luò)。盡管如此，規(guī)范還是給出了一些指南。這些指南和良好的工程實(shí)踐是本文的基礎(chǔ)。然而，本文提出的建議并不能涵蓋設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的所有不同方式。
RS485在多個(gè)位置之間發(fā)送數(shù)字信息。數(shù)據(jù)率可高達(dá)10Mbps，有時(shí)候甚至更高。RS485設(shè)計(jì)主要用于在較長距離內(nèi)傳輸信息，其能力完全可滿足RS485通訊距離1000米。RS485能夠成功實(shí)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。
RS485網(wǎng)絡(luò)連線
RS485的設(shè)計(jì)為平衡系統(tǒng)。簡單地說，使用兩根線傳輸信號，沒有地。
圖1 平衡系統(tǒng)使用兩根線傳輸數(shù)據(jù)，沒有地
系統(tǒng)之所以稱為是平衡的，是因?yàn)槔硐肭闆r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，如果一根線發(fā)送的為高電平，另一根線將發(fā)送低電平，反之亦然，見圖2。
圖2 平衡系統(tǒng)中兩根線上的信號嚴(yán)格相反
盡管RS485可使用多種類型的介質(zhì)進(jìn)行成功傳輸，但應(yīng)使用通常稱為“雙絞線”的接線方法。
什么是雙絞線？為什么使用雙絞線？
顧名思義，雙絞線是一對等長、纏繞在一起的電線。RS485兼容的發(fā)送器與雙絞線配合使用可降低設(shè)計(jì)高速長距離網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要故障源：輻射EMI和接收EMI。
1、輻射EMI
如圖3所示，當(dāng)利用快速變化的邊沿發(fā)送信息時(shí)，就會產(chǎn)生高頻成分。由于RS485能夠以較高數(shù)據(jù)率進(jìn)行傳輸，快速變化的邊沿就必不可少。
圖3 125kHz方波及其FFT圖
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，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，可降低這種影響。其工作原理很簡單：由于傳輸線上的信號相等、極性相反，每根線上輻射的信號也相當(dāng)、極性相反。這就存在彼此抵消的效果，意味著不存在凈輻射EMI。然而，這種結(jié)果基于一個(gè)前提：連接線長度嚴(yán)格相等、位置嚴(yán)格相同。由于兩根線不可能同時(shí)處于相同的位置，所以兩根線應(yīng)盡量彼此靠近。將兩根線纏繞在一起，之間的距離就非常有限，有助于抵消剩余的EMI。
2、接收EMI
接收EMI基本上與輻射EMI的問題相同，但方向相反。RS485系統(tǒng)中使用的線纜也作為天線接收有害信號。這些有害信號會造成有用信號失真，如果足夠嚴(yán)重，會引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。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。由于兩根線彼此靠近并纏繞在一起，一根線上接收的噪聲將傾向于與另一個(gè)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RS485接收器設(shè)計(jì)用于檢測彼此極性相反的信號，所以很容易抑制共模噪聲。
3、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。RS485規(guī)范推薦但沒有特別規(guī)定特征阻抗應(yīng)為120Ω。推薦這一阻抗是RS485規(guī)范中計(jì)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。如果因?yàn)槟撤N原因不能使用120Ω電纜，建議重新計(jì)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(jì)的系統(tǒng)能夠正常工作。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(jì)算。
4、每個(gè)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(gè)發(fā)送器能夠驅(qū)動(dòng)幾對雙絞線？簡單回答就是：只能一對。盡管發(fā)送器在特定環(huán)境條件下有可能驅(qū)動(dòng)多個(gè)雙絞線對，但這不符合規(guī)范。
5、匹配電阻
由于涉及到高頻率和距離，必須嚴(yán)密關(guān)注傳輸線效應(yīng)。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。因此，本文簡要討論與RS485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)。匹配電阻值在理想情況下與電纜的特征阻抗值相同。
圖4 匹配電阻值應(yīng)與雙絞線的特征阻抗值相同，應(yīng)安裝在電纜的遠(yuǎn)端
如果匹配電阻值與連接線的特征電阻值不同，信號在電纜中傳輸時(shí)將發(fā)生反射。這一過程由公式(Rt-Zo)/(Zo+Rt)給出，其中Zo為電纜阻抗，Rt為匹配電阻值。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(cuò)誤的較大反射，見圖5。
圖5 使用上圖所示的電路，左側(cè)的波形是通過MAX3485獲得的，器件驅(qū)動(dòng)120Ω雙絞線電纜，匹配電阻為54Ω；右側(cè)波形為使用120Ω電阻正確端接電纜獲得的波形
了解了反射之后，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。匹配電阻應(yīng)安裝在電纜的遠(yuǎn)端。
此外，作為一般規(guī)則，應(yīng)在電纜的兩個(gè)末端均安裝匹配電阻。盡管對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)匹配電阻。當(dāng)系統(tǒng)中只有單個(gè)發(fā)送器，并且發(fā)送器位于電纜遠(yuǎn)端時(shí)，在這種情況下，由于信號總是從發(fā)送器所在的電纜末端發(fā)送信號，所以不需要在該端安裝匹配電阻。關(guān)于終端匹配電阻的知識在文章《儀表RS458通信你加了終端匹配電阻嗎》有深入介紹。
6、網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送器和接收器的最大數(shù)量
最簡單的RS485網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器組成，盡管這種配置在很多應(yīng)用中很有用，但RS485允許在一對雙絞線上掛接多個(gè)接收器和發(fā)送器，具有更大靈活性。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，所有接收器和停止發(fā)送的發(fā)送器的阻抗無限大，不會造成系統(tǒng)過載。但在實(shí)際應(yīng)用中并不是這種情況。連接至網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)接收器和所有停止發(fā)送的發(fā)送器都將增加負(fù)載。
為幫助RS485網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者確定系統(tǒng)中可增加多少器件，創(chuàng)造一個(gè)稱為“單位負(fù)載”的假想單位。連接至RS485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)。其中兩個(gè)例子是MAX3485(規(guī)定為1個(gè)單位負(fù)載)和MAX487(規(guī)定為1/4個(gè)單位負(fù)載)。假設(shè)電纜的特征阻抗為120Ω，正確端接，那么一對雙絞線上允許的最大單位負(fù)載數(shù)量為32。在上例中，意味著單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上可掛接最多32片MAX3485或最多128片MAX487。
7、失效保護(hù)偏置電阻
輸入介于-200mV和+200mV之間時(shí)，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，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)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，當(dāng)發(fā)生以上條件之一時(shí)，確保接收器的輸出為確定狀態(tài)。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。偏置正確時(shí)，如果發(fā)生任意故障條件，接收器將輸出有效高電平。這些失效保護(hù)偏置電阻應(yīng)安裝在傳輸線的接收器端。
正確網(wǎng)絡(luò)示例
了解以上信息后，我們就可以設(shè)計(jì)一些RS485網(wǎng)絡(luò)。以下為幾個(gè)例子。
1、一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器
最簡單的網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器(圖6)。本例中，匹配電阻位于電纜的發(fā)送器端。盡管本例中沒必要，但設(shè)計(jì)兩個(gè)匹配電阻是一種好習(xí)慣。這允許發(fā)送器移動(dòng)到遠(yuǎn)端之外的其它位置，并且允許在必要時(shí)將更多發(fā)送器增加至網(wǎng)絡(luò)。
圖6 一個(gè)發(fā)送器、一個(gè)接收器的RS485網(wǎng)絡(luò)
2、一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器
圖7所示為一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的網(wǎng)絡(luò)。本例中，使雙絞線到接收器的距離盡量短是非常必要的。
圖7 一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器的RS485網(wǎng)絡(luò)。
3、兩個(gè)收發(fā)器
圖8所示為兩個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。
圖8 兩個(gè)收發(fā)器的RS485網(wǎng)絡(luò)
4、多個(gè)收發(fā)器
圖9所示為多個(gè)收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)。與圖7所示的一個(gè)發(fā)送器、多個(gè)接收器網(wǎng)絡(luò)一樣，使雙絞線到接收器的距離盡量短非常必要。
圖9 多個(gè)收發(fā)器的RS485網(wǎng)絡(luò)
不正確RS485網(wǎng)絡(luò)示例
以下是系統(tǒng)配置不正確的例子。每個(gè)示例中給出了從設(shè)計(jì)不正確的網(wǎng)絡(luò)中獲得的波形，并與正確系統(tǒng)的波形進(jìn)行比較。波形是從A點(diǎn)和B點(diǎn)以差分形式(A-B)測得的。
1、未端接的網(wǎng)絡(luò)
本例中，雙絞線的末端未安裝匹配電阻。信號沿連接線傳輸時(shí)，在電纜末端遇到開路。這就形成阻抗不匹配，產(chǎn)生發(fā)射。在開路情況下(下圖所示)，所有能量被反射回源端，造成波形嚴(yán)重失真。
圖10a 未端接RS485網(wǎng)絡(luò)(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)
圖10b 未端接RS485網(wǎng)絡(luò)其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)
2、錯(cuò)誤的端接位置
圖11中安裝了匹配電阻，但并沒有安置在電纜的最遠(yuǎn)端。信號沿連接線傳輸時(shí)，遇到兩處阻抗不匹配。首先發(fā)生在匹配電阻處。即使電阻與電纜的特征阻抗相匹配，但電阻之后仍然有電纜。之后的電纜造成電阻不匹配，進(jìn)而引起反射。第二次不匹配發(fā)生在未端接電纜的末端，造成進(jìn)一步反射。
圖11a 匹配電阻位置錯(cuò)誤的RS485網(wǎng)絡(luò)(上圖)及其產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)
圖11b 匹配電阻位置錯(cuò)誤的RS485網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的波形(左圖)，以及正確端接網(wǎng)絡(luò)獲得的波形(右圖)
3、多根電纜
圖12所示的布局中存在多種問題。RS485驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)目的是驅(qū)動(dòng)單對、正確端接的雙絞線。本例中，發(fā)送器驅(qū)動(dòng)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。除負(fù)載大之外，多根電纜的連接點(diǎn)存在阻抗不匹配。阻抗不匹配就意味著反射，進(jìn)而造成信號失真。
圖12 不正確使用多對雙絞線的RS485網(wǎng)絡(luò)
4、分支過長
圖13中，電纜端接正確，發(fā)送器僅驅(qū)動(dòng)一對雙絞線。然而，接收器的連接點(diǎn)(分支)過長。長分支造成明顯的阻抗不匹配，進(jìn)而引起反射。所有分支應(yīng)保證盡量短。
圖13a 分支長達(dá)10英尺的RS485網(wǎng)絡(luò)
圖13b 分支長達(dá)10英尺的RS485網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的波形(左圖)，以及短分支獲得的波形(右圖)
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