RS485RS422接口设计指南.docx
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RS485RS422接口设计指南
前言0
1RS-485与RS-422性能指标及其标准1
2RS-485与RS-422器件及材料说明1
3RS-485与RS-422设计原理2
3」基本原理2
3.1.1RS-485与RS-232电路的区别与优势2
3.1.2长短连接的判断标准、物理表现与应对措施4
3.1.3RS-485与RS-422典型应用电路与选择方法5
3.1.4485总线上处理竞争的方法8
3.2可靠性的设计9
3.2.1网络配置9
3.2.2总线匹配9
3.23引出线11
3.2.4失效保护11
3.2.5地线与接地12
3.2.5.1共模干扰问题12
325.2电磁辐射（EMI）问题：
13
3.2.6瞬态保护14
3.2.7其它需要注意的问题15
3.3电源和接地15
4维护说明15
参考资料16
1概述32设计准则33模块功能及用途34关键词、类别关联
词45模块性能指标及其符合的标准46电原理图47PCB图
58结构图51输入、输出接口及性能参数59510器件
及材料说明511
设计说明511.1设计目标5H.2模块设计方
案及论证511.3参考资料511.4基本原理511.5子模块设计说
明1311.6可编程器件说明1311.7工艺结构说明1311.8可信性设
计说明1311.9电源和接地1911.10成本预计1912模块使用
与维护说明2012.1调用说明2012.2维护说明2012.3调试环境
2012.4调试方法2013经验教训2014模块工作量201概述32设计准则33模块功能及用途34关键词、类别关联词35
模块性能指标及其符合的标准36电原理图37PCB图48
结构图
49输入、输出接口及性能参数410器件及材料
说明411
设计说明411.1设计目标411.2模块设计方案及论
证511.3参考资料511.4基本原理511.5子模块设计说明
1311.6可编程器件说明1311.7软件1311.8工艺结构说明
1711.9可信性设计说明1711.10电源和接地1711.11成本预计1712模块使用与维护说明1712.1调用说明1712.2维护说明1712.3调试环境1712.4调试方法1813经验教训1814模
块工作量181
概述2设计准则3模块功能及用途4关
词、类别关联词5模块性能指标及其符合的标准6电原理图
7PCB图8结构图9输入、输出接口及性能参数10
器件及材料说明11设计说明11・1设计目标11・2模块设计
方案及论证11.3参考资料11・4基本原理11・5子模块设计
说明11.6可编程器件说明11・7软件11.8工艺结构说明
11.9可信性设计说明11・10电源和接地11.11成本预计12
模块使用与维护说明12・1
调用说明12・2维护说明12・3
调试环境12.4调试方法13经验教训14模块工作量1概
述32设计准则33模块功能及用途34关键词、类别关联词35
模块性能指标及其符合的标准36电原理图37PCB图48
结构图49输入、输出接口及性能参数410
器件及材料
说明411设计说明411.1设计目标411.2模块设计方案及论
证511.3参考资料511.4基本原理511.5子模块设计说明
1211.6可编程器件说明1211.7软件⑶1・8工艺结构说明
1611.9可信性设计说明1611.10电源和接地1611.11成本预计1612模块使用与维护说明1612.1调用说明1612.2维护说明1712.3调试环境1712.4调试方法1713经验教训1714模块工作量171概述2设计准则3模块功能及用途4关键词、类别关联词5模块性能指标及其符合的标准6电原理图
7PCB图8结构图439
输入、
出接口及性能参
4310器件及材料说明11设计说明11・1
设计目标11・2
块设计方案及论证11.3参考资料411.4基本原理411.5子模
块设计说明6411.6可编程器件说明6411.7软件6511.81艺结构
说明7511.9可信性设计说明7511.10电源和接地7511.11成
本预计
7512模块使用与维护说明7512.1调用说明7512.2维
护说明7512.3调试环境7612.4调试方法7613经验教训7614
模块工作:
861
设计准则22模块功能及用途23关键词、
类别关联词24模块性能指标及其符合的标准25电原理图26
PCB图27结构图28输入、输出接口及性能参数29器
件及材料说明210
设计说明310.1设计目标310.2模块设计
方案及论证310.3参考资料310.4基本原理310.5可编程器件
说明310.6软件310.7工艺结构说明410.8可信性设计说明410.9电源和接地410.10成本预计411模块使用与维护说明411.1调用说明411.2维护说明411.3调试环境411.4调试方法412经验教训41设计准则22模块功能摘要23参考资料24基本原理25技术指标26电原理图27PCB图28结
构图29输入、输出接口及电性能210软件310.1源程序
310.2参数说明310.3软件接口说明311元器件说明
312可编程器件说明312.1原理及框图312.2器件说明
312.3管脚说明312.4关键时序312.5编程文件说明313
工艺结构说明314可信性设计说明314.1可靠性设计
314.2测试性设计415电源和接地416成本预计417
背景资料418使用说明419调试、维护说明419.1调试环境419.2调试方法419.3维护说明420经验教训41设计准则22模块功能摘要23参考资料24基本原理25技术指标
26电原理图27PCB图28结构图
29输入、
输出接口及
电性能210软件310.1源程序310.2参数说明310.3软
件接口说明311元器件说明312可编程器件说明312.1原
理及框图312.2器件说明312.3管脚说明312.4关键时序312.5
编程文件说明313可信性设计说明313.1可靠性设计
313.2测试性设计414电源和接地415成本预计416
背景资料417使用、调试、维护说明417.1调试环境
417.2
调试方法417.3故障解决方法
418
经验教训4
RS485、RS422接口设计指南
RS-485标准最初由电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布，后由TIA-通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A,习惯地称之为RS-485。
RS-485由RS-422发展而来，而RS-422是为弥补RS-232之不足而提岀的。
为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422义了一种平衡通信接口，将传输速率提髙到10Mbps,传输距离延长到4000英尺（速率低于100kbps时），并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器。
RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，为扩展应用范仿I，随后又为其增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范囤，这就是后来的EIARS-485标准。
RS-485是一个电气接口规范，它只规左了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规左接插件、传输电缆和通信协议。
RS-485标准左义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，是一种极为经济、并具有相当髙噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。
RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。
这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信、它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。
正因为此，许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路。
例如电信设备、局域网、蜂窝基站、工业控制、汽车电子、仪器仪表等等。
这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性。
RS-485
标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。
本文档主要说明了RS485与RS422的原理以及设计应用电路中应该注意的问题。
1RS-485与RS-422性能指标及其标准
EIA/TIA-422与EIA/TIA-485标准的比较
规格
EIA/TIA-422
EIA/TIA-485
传输模式
平衡
平衡
电缆长度（在90Kbps下）
4000ft
4000ft
电缆长度（在10Mbps下）
50ft
50ft
最大数据传输速度
10Mbps
10Mbps
最小差动输出
±2V
±1.5V
最大差动输出
±10V
±6V
接收器敏感度
±0.2V
±0.2V
最小驱动器负戦
100Q
60Q
最大驱动器数量
1
32负载单位
最大接收器数量
10
32负载单位
衣1
RS-485接口的主要性能指标如下：
平衡传输：
多点通信：
驱动器输出电压（带载）：
2丨1.5YI：
接收器输入门限：
±200mV,接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）>0.2V,表示
信号“0”:
（V+）-（V-）W-0.2V,表示信号T）；
-7V至+12V总线共模范围：
最大输入电流：
1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；
最大总线负载：
32个单位负载（UL）；
最大传输速率：
10Mbps：
最大电缆长度：
4000英尺，由于在双绞线上的电平损耗，RS-485标准通信的最大传输距离是
1200米（4000英尺），更远距离的应用中必须使用中继器：
接收器的输入电阻RIN>12kQ:
2RS-485与RS-422器件及材料说明
有很多485芯片可以选择，速度较慢的芯片有更好的信号质疑，如果不需要髙速连接，使用较低速度的芯片可以避免很多麻烦。
有的485芯片小于一个单位负载以便在一个网络中允许更多的步点。
为了扩展总线节点数，器件生产厂商增大收发器输入电阻。
例如MAX487,MAX1487的输入电阻增加至48kQ以上（1/4UL）,节点数就可增加至128个，96kQ输入电阻的MAX1483允许节点数可到256个。
对外置设备为防止强电磁（雷电）冲击,建议选用TI的75LBC184等防雷击芯片,对节点数要求较多的可选用SIPEX的SP485R。
具有节能模式与低电源电压特性的485芯片对于电池供电的设备很有用，485芯片具有的英它特性还有增强的ESD保护、电气绝缘、失效保护电路等。
减小反射电压的两个办法是减小电缆长度或者增加信号上升时间，可以通过选择485芯片来控制信号上升时间。
最大的上升时间限制了比特率，上升时间不应超过位宽的20%.
最小的上升时间决定一根导线是长导线还是短导线，是否需要终端电阻。
如果连接不需要高比特率，使用低速驱动器可以使短导线的物理长度大大加长。
此外低速485芯片能够减弱EMI.
3RS-485与RS-422设计原理
3.1基本原理
3.1.1RS-485与RS-232电路的区别与优势
如图1中RS-232使用非平衡线路，接收器对•个信号电压和•个通用地线之间的压差作出反应。
在100Kbps的传输速度下电缆长度最人为50ft,最人数据传输速度为20Kbps（有的驱动器达到115Kbps）,驱动器最小输出为±5V,驱动器最人输出为±15V,接收器敏感度±3V,最人驱动器与接收器数量都为1,接收器输入阻抗为3到7KQ。
+•25voli?
5
RS-232
I门七ep-Fa匚e
■»»
DrlverLoo.dedDutput
VoltcigeRange=±（5to15volts）
•traneitianregian
IJGUUJ一4IkJaJcl口£n£_xu£
—25volts
如图2•个RS-485驱动器必须有"Enable"控制信号，而•个RS-422驱动器则•般不需要。
在驱动器端，•个TTL逻辑高电平输入使得导线A电压比导线B高，反之，•个TTL逻辑低电平输入使得导线A电压比导线B低，对于驱动器端的有效输出，A与B之间的压差必须至少1.5VO
CDPTIDNALFDRRS-422）
CR匚QUIRLUFDRRS-425）
BALANCEDDIFFERENTIAL口UTPUT
LINEDRIVER
图2
如图3在接收器端A与B之间的压差只需0.2V,如输入A电平比输入B崗，TTL输出逻辑高电平，反之，如输入A电平比输入B低，TTL输出逻辑低电平，这就至少有1.3V的噪声容限，人多数情况下驱动器端A与B之间的压差大于1.5V,因此噪声容限更人。
*十6volts
■transition
region
Ven=InputCopirionModeVoltage
PernissikileRange-PorVcm-7v>Ven<+7v
typlcalhysteresls二50mv
BALANCEDDIFFERENTIALINPUT
LINERECEIVER
图3
RS-485能够远距离传输是因为使用了平衡线路，每个信号都有专用的导线对，其中-根导线上的电压等于另•根导线上的电压取反或取补。
接收器对两者的压差作出反应。
平衡接口中两根信号线传递几乎等大反向的电流，大多数噪声电压在两根信号线上出现，它们互和抵消；但在非平衡接口中，接收器检测信号线与接地线之间的电压差，当多个信号共用根接地线时，每个返回的电流都在这根接地线上引起电势，如果这根接地线连到人地地线，来自别处的噪声也会影响这些电路。
•个RS-485驱动器可以驱动32个单位负载，-个等于单位负载的接收器在标准的输入电压极限下产生•个不大于规定人小的电流，在接收到的电压比接收器信号地高出12V与低7V时，•个单位负载的接收器产生的电流分别不大于1mA与-0.8mA,为符合此要求，接收器在每个差动输入与电源电压或接地线之间至少有12000的输入阻抗。
这样对于32单位负载的接收器，并联阻抗为375,加入两个120的终端负载电阻，并联阻抗减小为60,在短距离、低速连接中，可以去掉终端负载电阻以极大地减小电源消耗。
3.1.2长短连接的判断标准、物理表现与应对措施
•个RS-485是长还是短的连接是以•个信号沿着导线传播到接收器所需要的时间为参考，这个时间与导线的物理长度、所传递信号的频率以及信号传输速度有关。
当导线物理长度很短、所传递信号的频率很低时，信号沿着导线传播到接收器所需要的时间对信号质量没有影响，可以将短导线当作零阻抗导线。
当导线物理长度很长、所传递信号的频率很高时，信号沿着导线传播到接收器所需要的时间对信号质量有影响，长导线又叫传输线，恰当的终端负載电阻可以削弱导线上的反射电压确保接收器看到•个清晰的信号。
长短导线的区别在于在长导线上反射有可能持续足够长的时间以至使得接收器误读逻辑电平，而短导线上的反射更快，在有接收到的逻辑电平上没有影响。
上升时间是-个输出从10%切换到90%的时间，上升时间限制了最人的比特率，位宽度应该比上升时间长5到10倍以确保接收器读这个位时电压已经达到有效的逻辑电平，更短的上升时间农示可以有更高的频率。
单向延迟是-个信号通过电缆长度所用时间，它等于电缆长度除以信号传播速度，在铜导线的电气信号大约以2/3到3/4倍光速传播。
•个连接如果信号上升时间小于单向延迟的4倍，则它是长的连接，RS-232总是短的连接。
传输线效应会使反射电压出现，接收器在位的中间附近读逻辑电平，如果比特率越低，位就越宽，这样电压在接收器读之前就已经固定下来。
另-个决定导线长短的方法是如果位宽大于单向延迟的40倍，则它是短的连接，这时任何反射在接收器读这些位之前就已经稳定了。
传输导线的特征阻抗与导线直径、导线间距以及导线上绝缘类型有关，不随导线长度变化，普遍使用的AWGY24绞合的双绞线电缆特征阻抗为100到150欧，生产厂商都会给出这个值。
等于特征阻抗的终端电阻•般连接在最远端接收器那•边的差动导线上，不论网络有多少个节点，终端电阻的数量不能超过2个。
终端电阻比特征阻抗人的极端情况是远端导线开路，电流不能继续，电流反射回来并引入-个电压，导致接收器读到比传输电压更高的电压。
如果终端电阻比特征阻抗人，效果类似，只是只有部分电流反射回去，反射电流来回好多次，越来越小，最后电流稳定到•个终值，接收器读到的电压也逐渐减小到一个终值电压。
终端电阻比特征阻抗小的极端情况是远端导线短路，没有电压降，电压反射回来并引入•个电流，如果终端电阻比特征阻抗小，效果类似，只是只有部分电压反射回去，驱动器每反射-次电压的-•部分，接收器的电压就上升一次直到最终值。
终端电阻等于特征阻抗，电流没有间断，没有任何反射。
添加并联终端电阻使接收器输入电阻人幅下降，连接中的电流人幅上升，电能损耗大幅上升。
更大的电流也使驱动器输出阻抗吸收更大电压，降低接收器端差动电压，噪声容限降低。
节约电能的办法是除了驱动器正在发送的时间以外，禁止驱动器，在我们的CDMA95与3G设计中发送完后立即禁止驱动器。
当导线很长要注总串联电阻的影响，如AWGU24绞合线电阻25/1000FT,信号的人部分将在通过导线时衰减，为减小串联电阻要用更大直径的导线。
RS-422接收器能够经受±7V的共模电压。
（共模电压是输入A与B相对于地电压的平均值）
RS-485驱动器与接收器的特性与RS-422•样，它的驱动器与接收器能经受的共模电压扩展到+12到-7V,因为驱动器妥能够经受三态时的共模电压，而•些有三态能力的RS-422驱动器也不能经受+12到-7V的共模电压。
在我们的CDMA95与3G设计中驱动器与接收器都加了共模抑制电感。
3.1.3RS-485与RS-422典型应用电路与选择方法
图4是•个典型的RS-485四线多点网络，也就是用的是全双工的488芯片。
4000FT
MAST匚R
G
G
叫
4
vw-
G
Ge-nerator
R
Receiver
1
匚ir-cultgroundar匚ircult匚onman
1
Protectivegroundorframeground
GWG
Greenwiregroundorpawwrsystsmground
图5是•个典型的RS-485二线多点网络，也就是用的是半双工的485芯片。
TYPCIALRS-485TVDWIREMULTIDROFNETWORK
图5
如果只有两个单片机做远距离通信，若对数据的处理速度要求很高的话，肯泄选择全双工的488,因为这时候在只有两个单片机的情况下就无所谓谁是主机了，它们两个可以在任意时刻向对方发送数据，而不需要握手；而这时候如果用半双工的485的话，两个单片机之间必须有明确的握手协议才能正确通信，握手主要是为了避免总线竞争问题，而2个单片机的全双工通信是不会产正总线竞争的，并且从协议上来讲要简单很多。
在多单片机通信系统里，情况就不一样了，这里就拿单主查询方式来说，系统只有一个主机，主机问到谁了谁才能说话，否则不准说话，其实这个原则也是为了避免总线竞争问题。
这时就分成A、B两种情况了：
A：
系统上所有的单片机用的是全双工的488芯片，那么系统的工作过程是：
主机呼叫1号子机，问有没有话要说，当1号子机察觉到呼叫的是自己后，先看看主机问的是什么问题，然后根据自己的情况作相应的回答，回答完后就继续订着总线有没有再一次呼叫到自己,当主机没有呼叫到自己时，自己是不能乱说话的，因为这时候主机有可能在和别的单片机说话，如果这时候自己乱说话的话，总线上的电平肯泄乱套了，于是总线竞争就产生了，只好等待主机再一次呼叫到自己。
这里面有一点需要说明，当某一子机被呼叫允许和主机说话时,因为这时候是全双工通信，所以在这个时候主机和子机之间可以乱说话，但有一点就是当子机把要说的话全说完的时候，必须明确的告诉主机我要讲的话讲完了，否则的话主机不知道是否该继续往下查。
B：
系统上所有的单片机用的是半双工的485芯片，那么系统的工作过程是：
：
主机呼叫1号子机，问有没有话要说，当1号子机察觉到呼叫的是自己后，先看看主机问的是什么问题，然后根据自己的情况作相应的回答，回答完后就继续订着总线有没有再一次呼叫到自己
，当主机没有呼叫到自己时，自己是不能乱说话的，因为这时候主机有可能在和别的单片机说话，如果这时候自己乱说话的话，总线上的电平肯泄乱套了，于是总线竞争就产生了，只好等待主机再一次呼叫到自己。
现在我们对比上述的两种情况，发现全双工和半双工多机通信唯一的区别在于：
当某一个确左的子机和主机说话时，对于全双工来讲这时候和主机直接说话就行，可以随便乱说话而不需要握手了，但是有一点就是当子机不想再说话的时候要明确的告诉主机一声，好让主机死了这条心继续往下查别的子机。
除了这个地方外，苴他的和半双工的485是一样的。
所以在多机通信系统中，用全双工的488并没有比半双工的485效率高多少，而且它至少要比485多拉出两条信号线来，这是一个很大的开销，这时应该用半双工的485。
图6是•个典型的RS-422四线网络。
ConFlgura-tlon
ConFlguratlon
'■Receiver
Circuitgroundor
circuitconnon
Protectiveground
orFramegraund
GWGGreenvireground
orpoversystpnground
图6
3.1.4485总线上处理竞争的方法
先要总线结构：
一主多从，多主多从，全主全从，无主等。
再看你的实时性要求，可靠性要求：
还要看网络数据流量和特征（如是否突发）等。
常用的协议：
1,CSMA/CD（竟争）如以太网（无主）
2,TOKENBUS令牌（无主）
3,主从（探寻或点叫）（主从）
4,全主全从
5,改进型CSMA/CD如CAN总线（硬件实现）（无主）缺点：
优先权码低的可能很难发出。
'‘中断方式”属于"4,全主全从”，“査询方式”则为"3,主从（探寻或点叫）”，而"2,TOKENBUS令牌”也不失为很好的方案，“1,CSMA/CD（竟争）”对软件资源开销较大，初次使用不易做好，“5,改进型CSMA/CD如CAN总线（硬件实现）”则把软开销转化为硬开销，增加成本。
若要详细了解，应找“数据通信”或“现场总线”相关的书籍看看。
通常，容量/数据流量较少的总线，建议采用“全主全从”方式，实时性强，效率高，编程简单，碰撞的概率较低：
有一泄容量的总线，建议采用“主从（探寻或点叫）”方式，实时性还行（相当于分时）,编程不难，效率较差，总线时刻在忙却不会碰撞：
总线fj点较多时建议采用“TOKENBUS令牌”方式，实时性居中，效率较高，总线时刻在忙却不会碰撞，但编程
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