RS-485匯流排的理論與實踐

摘 要：闡述了RS-485匯流排規範，描述了影響RS-485匯流排通信速率和通信可靠性的三個因素，同時提出了相應的解決方法並討論了匯流排負載能力和傳輸距離之間的具體關係。
關鍵詞：RS-485 現場匯流排 信號衰減 信號反射
當前自動控制系統中常用的網路，如現場匯流排CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基於RS-485的匯流排進行總結和研究。
一、EIA RS-485標準
在自動化領域，隨著分散式控制系統的發展，迫切需要一種匯流排能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485匯流排標準。
RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動匯流排，具體規格要求：
　　　　　1.接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
　　　　　2.驅動器能輸出±7V的共模電壓
　　　　　3.輸入端的電容≤50pF
　　　　　4.在節點數為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所 　　　　　　用雙絞線的參數有關）
　　　　　5.接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信　　　　　　號“1”）
　　因為RS-485的遠距離、多節點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業應用中數據傳輸的首選標準。
二、影響RS-485匯流排通訊速度和通信可靠性的三個因素
1、在通信電纜中的信號反射
在通信過程中，有兩種信號因導致信號反射：阻貳不連續和阻貳不匹配。
阻貳不連續，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻貳很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射，如圖1所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另一種媒質要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻貳同樣大小的終端電阻，使電纜的阻貳連續。由於信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻，如圖2所示。

從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻貳相匹配的終端電阻，就再也不會出現信號反射現象。但是，在實現應用中，由於傳輸電纜的特性阻貳與通訊波特率等應用環境有關，特性阻貳不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會存在。
引起信號反射的另個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻貳不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通訊線路處在空閑方式時，整個網路數據混亂。
信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤。
在信號分析，衡量反射信號強度的參數是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計算公式如式（1）。
RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）
式中：Vref—反射信號的電壓大小；Vinc—在電纜與收發器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。
具體的測量方法如圖3所示。例如，由實驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時，它的反射衰減因子為：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常採用雜訊抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對於比較小的反射信號，為簡單方便，經常採用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，後面將做詳細介紹。
2、在通訊電纜中的信號衰減
第二個影響信號傳輸的因素是信號在電纜的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分佈電容、分佈電感和電阻聯合組成的等效電路，如圖4所示

電纜的分佈電容C主要是由雙絞線的兩條平行導線產生。導線的電阻在這裡對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由於電纜的分佈電容和分佈電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標準型二芯電感（西門子為DP匯流排選用的標準電纜），在不同波特率時的衰減係數如表1所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 電纜的衰減係數
　　　　　　　　　　　　通訊波特率 　　　　　　16MHz 　　4MHz 　　38.4kHz　　9.6kHz
　　　　　　　　　　　　衰減體系數（1km) 　　　≤42dB 　≤22dB 　　≤4dB 　　≤2.5dB
3、在通訊電纜中的純阻負載
影響通訊性能的第三個因素是純阻性負載（也叫直流負載）的大小。這裡指的純阻性負載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發器三者構成。

在敘述EIA RS-485規範時曾提到過RS-485驅動器在帶了32個節點，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個接收器的輸入電阻為12kΩ，整個網路的等效電路如圖5所示。按這樣計算，RS-485驅動器的負載能力為：
RL=32個輸入電阻並聯||2個終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω
現在比較常用的RS-485驅動器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅動器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅動能力和負載的關係計算，一個驅動器可帶節點的最大數量將遠遠大於32個。
在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖6。它的作用是在線路進入空閑狀態后，把匯流排上沒有數據時（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖7。這樣一來，即使線路中出現了比較小的反射信號或干擾，掛接在匯流排上的數據接收器也不會由於這些信號的到來而產生誤動作。

通過下面后例子了，可以計算出偏置電阻的大小：