RS-485应用设计摘要
发布时间：2023/5/5
摘要：本设计指南讨论 RS-485 标准的一些重要方面，旨在帮助工程师正确的设计数据传输电路。
1.简介
1983 年，美国电子工业协会（EIA）批准了一个新的平衡传输标准（balanced transmission standard），称之为 RS-485。调查发现，这个标准获得了广泛的赞誉并被 广泛应用到工业、医疗以及消费类产品，RS-485 已经成为了工业接口的主力。本设计指南是为那些对 RS-485 标准不熟的工程师介绍设计 RS-485 电路的指导方 针，这能够帮助他们在最短的时间内完成健壮而可靠的数据传输设计。从整体上来看，本文档围绕以下主题来讨论 RS-485 标准：总线拓扑 （bustopology）、信号电平（signal levels）、电缆类型（cable type）、总线终端 （bustermination）、失效保护（failsafe）、总线负载（busloading）、数据速率与总 线长度（datarate versus bus length）、最小节点间距（minimum node spacing）、接地及 隔离（groundingand isolation）。
2.标准和特性
RS-485 的关键特性：
? 平衡接口（Balancedinterface）
? 多节点可共用单一 5V 电源
? 总线共模电压范围：-7V~+12V
? 可挂接 32 个负载
? 最大 10Mbps（40 英寸内，约 12.2 米）
? 最长 4000 英尺（约 1219 米）通讯距离（100Kbps 的情况下）
3.网络拓扑
RS-485 标准建议节点的组网方式为串行方式（daisy-chain），也称为单线（party line） 或总线拓扑（bus topology），见图 1 所示。在这个拓扑中，驱动器、接收器和收发器 （transceiver）以子网（或称为分支）形式通过短网线接入主干线。总线接口可以设 计为全双工或半双工，如图 2 所示。
图1：RS-485总线结构
实现全双工需要 2 对信号线（4 根），全双工收发器带有独立的发送和接收总线 电缆。在全双工模式下，一个节点可以在接收数据的同时发送数据。
在半双工模式下，仅使用一对信号线。发送和接收数据不能同时进行。所有节点都必须通过方向控制信号进行控制，例如驱动器/接收器使能信号。这是为了确保在任何时刻，总线上只有一个驱动器有效。若同一时刻有超过一个驱动器访问总线，则会导致总线竞争，总线上的数据会紊乱，所以在整个运行期间，必须通过软件控制，避免多个驱动器同时向总线发送数据。
图2：全双工与半双工总线结构
4.信号电平
图3：RS-485规定的最小总线信号电平
5.电缆类型
在双绞线上传输差分信号对 RS-485 应用是有利的，因为外部干扰源会以共模方式均等的耦合到两根信号线上，这些噪声会被差分接收器过滤掉。
工业 RS-485 电缆分为有保护套、无保护套、双绞线、非屏蔽双绞线，符合美国22-24AWG 线规的电缆特性阻抗为 120Ω。图 4 显示了 4 线对电缆的横截面，这种非屏蔽双绞线典型用于 2 个全双工网络。内有 2 对或 1 对信号线的电缆可用于低成本的半双工系统设计。
图4：RS-485通讯电缆举例
为避免信号反射，数据传输线必须有终点，并且分支长度尽可能的短。正确的终端需要终端电阻 RT 匹配，其值为传输线的特性阻抗 Z0。RS-485 标准建议线缆的电缆干线通常终端匹配 120Ω的电阻，线缆的末尾处各一个。见图 5 的左半部分。
图5：正确的RS-485终端
注：具有缓慢上升沿的驱动器适合那些需要长分支的应用，并且缓慢的上升沿可以减少设备的EMI。
1.开路：线缆终端或者收发器从总线断开
图6：外部失效保护偏置电路
8.总线负载
驱动器输出的电流取决于负载、收发器和失效保护电路所需要的电流。为了估计总线上的最大负载数目，RS-485规定了一个术语：单位负载（UL），用来表示一个大约12KΩ的阻抗、服从标准的驱动器必须能够驱动32个这样的单位负载。现在的发送器通常会减小单位负载，比如只有1/8UL，这就允许在总线上连接最多256个这样的收发器。
因为失效保护电路最多会相当于20个单位负载，所以收发器的最发数目N减小为：
图7：线缆长度 VS数据速率
10.最小节点间距
RS-485总线是分布参数总线：电气特性主要由沿物理介质分布的电感和电容所决定，这里的物理介质包含相互连接的电缆和印制电路板上的布线。
总线上的设备增加，总线电容也会增加，设备间的互联会降低总线阻抗，导致总线的介质和负载部分阻抗不匹配。当输入信号到达这些位置时，会有部分反射回信号源，造成驱动器输出信号失真。
要确保从驱动器输出的第一个信号传输到接收器入端时电压等级仍有效，需要总线上任何一处的最小负载阻抗 Z'>0.4*Z0，可以通过限制总线上两节点的间距不小于d来实现，d为
这里CL为总线负载电容，C为每单位长度的介质电容（电缆或PCB布线）。
图8:节点最小间距与设备、介质电容的关系
当设计一个远程数据链路时，设计者必须假设存在很大的接地电势差（GPD）。这些电压（Vn）会以共模干扰的形式叠加到传输线上。如果叠加的干扰信号超出接收器输入共模范围，依靠本地接地作为电流回路是很危险的，见图9a。
因为远程节点很可能是通过不同区域的电气设备供电，当维修这些设备时，会使得接地电势差超出接收器的输入共模范围。因此，今天能工作的数据链路可能在将来的某时段停止工作。
通过接地线直接与远端地相连也是不被推荐的，见图9b.这是因为大的环路地电流会以共模噪声的形式驾到信号线上。
RS-485标准推荐通过在设备地和系统地之间串接电阻来隔离这两个地，见图9c。尽管这个办法减小了环路电流，但是大环路地的存在仍使数据链路对环路沿线某处产生的噪声敏感。因此，到现在为止，仍没有办法建立一个完美的数据链路。
一个可以容忍数千伏接地电势差并且完美的可长距离传输的RS-485数据链路办法是信号及供电电源隔离，见图10.
图10：隔离的两路远程收发站
图11：隔离的多节点现场总线
12.结论
1. RemovingGround Noise in Data Transmission Systems application report (SLLA268)
2. InterfaceCircuits for TIA/EIA-485(RS-485)design notes (SLLA036)
3. Detection ofRS-485 Signal Loss,TI Analog Application Journal,4Q2006 (SLYT257)
4. Overtemperature Protection in RS-485 Line Circuits application report (SLLA200)
5. DeviceSpacing on RS-485 Buses,TI Analog Application Journal,2Q 2006 (SLLA200)
6. PROFIBUSElectrical-Layer Solutions application report (SLLA177)
7. A StatisticalSurvey of Common-Mode Noise,TI Analog Application Journal,Nov 2000 (SLYT153)
8. Failsafe inRS-485 Data Buses,TI Analog Application Journal, 3Q 2004 (SLYT080)
9. The RS-485Unit Load and Maximum Number of Bus Connections,TI Analog Application Journal,1Q2004 (SLYT086)
10. UsingSignaling Rate and Transfer Rate application report (SLLA098)
11. OperatingRS-485 Transceivers at Fast Signaling Rates application report (SLLA173)
12. RS-485 forE-Meter Application application report (SLLA112)
13. Failsafe inRS-485 Data Buses,TI Analog Application Journal,3Q 2004 (SLYT064)
14. Use ReceiverEqualization to Extend RS-485 Data Communications application report (SLLA169)
15. The RS-485Unit Load and Maximum Number of Bus Connections application report (SLLA166)
16. ComparingBus Solutions application report (SLLA067)
17. RS-485 forDigital Motor Control Application application report (SLLA143)
18. 422 and 485Standards Overview and System Configurations application report (SLLA070)
19. TIA/EIA-485and M-LDS,power and Speed Comparison application report (SLLA106)
20. Livelnsertion with Differential Interface Products application report (SLLA107)
21. The ISO72xFamily of High-Speed Digital lsolators spplication report (SLLA198)
***************************************
