RS485串行通信协议及其应用.docx

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RS485串行通信协议及其应用

RS-485串行数据通信协议及其应用

    概述

    串行数据通信的协议从RS-232到千兆位以太网，虽然每种协议都有特定的应用领域，但任何情况下我们都必须考虑成本和物理层（PHY）性能。

本文主要介绍RS-485协议及该协议所适合的应用。

同时给出了根据电缆长度、系统设计以及元件选择来优化数据速率的方法。

    传输协议

    什么是RS-485？

Profibus又是什么？

与其它串行协议相比，它们的性能如何？

适用于哪些应用？

为了回答这些问题，我们对RS-485物理层（PHY）、RS-232和RS-422的特性、功能进行了总体比较[1]（本文中的RS表示ANSIEIA/TIA标准）。

RS-232是一个最初用于调制解调器、打印机及其它PC外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特，后来速率提高至1Mbps。

RS-232的其它技术指标包括：

标称±5V发送电平、±3V接收电平（间隔/符号）、2V共模抑制、2200PF最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器（负载）阻抗、100英尺（典型值）最大电缆长度。

RS-232只用于点对点通信系统，不能用于多点通信系统，所有RS-232系统都必须遵从这些限制。

    RS-422是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。

RS-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50Mbps。

接收器共模范围为±7V，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。

    RS-485标准

    RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。

该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。

具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围（-7V至+12V）。

    接收器输入灵敏度为±200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。

最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为±1.5V（最小值）、±5V（最大值）。

    驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。

对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。

RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载（375）。

    采用典型的24AWG双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。

RS-485已经成为POS、工业以及电信应用中的最佳选择。

较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境（如工厂车间）下的数据传输。

更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。

    Profibus和Fieldbus[2]总线主要用于工业设备，是RS-485总线的扩展。

用于工业环境的传感器测量、激励控制、数据采集/显示以及过程控制系统与传感器、激励源网络之间的数据通信。

    注意：

老式或现有的工业设备布线架构比较复杂，不可替换。

    Profibus和Fieldbus是对系统的整体描述。

RS-485支持Profibus和Fieldbus协议的物理层接口标准。

Profibus与Fieldbus存在细微的差异，Profibus要求2.0V的最小差分输出电压，54的负载电阻；Fieldbus则要求1.5V的最小差分输出电压，54的负载电阻。

Profibus传输速率为12Mbps，Fieldbus的传输速率为500kbps。

Profibus应用对摆率和电容容限要求比较严格。

    最适合的应用领域？

    RS-232：

用于与调制解调器、打印机及其它PC外设之间的通信。

最大电缆长度为100英尺（典型值）。

    RS-422：

适用于单主机（驱动器）工业环境。

典型应用包括：

过程自动化（化工、酿造、造纸）、工厂自动化（汽车制造、金属加工）、HVAC、安防、电机控制、运动控制等。

    RS-485：

适用于多主机/驱动器工业环境。

其典型应用与RS-422相似，包括：

过程自动化（化工、酿造、造纸）、工厂自动化（汽车制造、金属加工）、HVAC、安防、电机控制、运动控制。

    哪些因素限制了RS-485的数据速率？

    在指定的传输距离下，下列因素限制了传输速率：

    电缆长度：

在特定频率下，信号强度会随着电缆长度而衰减。

    电缆架构：

5类24AWG双绞线是RS-485系统最常用的电缆，屏蔽电缆可大大增强噪声抑制能力，提高了一定距离下的数据传输速率。

    电缆特性阻抗：

分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度，从而降低噪声裕量、补偿“眼图模板”特性。

分布电阻直接导致信号电平的衰减。

    驱动器输出阻抗：

阻抗过高会限制驱动能力。

    接收器输入阻抗：

阻抗过低会限制与驱动器通信的接收器数量。

    终端匹配：

长电缆可看作传输线。

电缆上应接阻值等于电缆特性阻抗的终端匹配电阻，可以降低信号反射，并提高数据速率。

    噪声裕量：

越大越好。

    驱动器摆率：

降低边沿速率（降低信号摆率）允许采用较长的电缆进行通信。

    经验数据

    了解了以上相关的背景知识，接下来我们研究一个实际系统，如图1所示。

图中所示电缆是RS-485系统最为常用的一种：

EIA/TIA/ANSI5685类双绞线。

在长度为300英尺至900英尺的电缆上可以获得的数据速率为1Mbps至35Mbps。

    图1.测试装置

    系统设计人员经常从两个不同厂商选择驱动器和接收器，多数设计人员最关注的是RS-485驱动器的传输距离和速度。

Maxim驱动器（这里指MAX3469）与其它制造商的驱动器性能比较如图2、图3所示。

    图2.在特定比特率、电缆长度下的抖动特性，抖动是在±100mV差分信号下测量的

    图3.在特定比特率、电缆长度下的抖动指标，抖动是在0V差分信号下测量的

    通过观察驱动器的差分输出信号的完整性，利用示波器确定80mV与-400mV之间的翻转门限（由于接收器具有200mV至-200mV的输入范围和噪声裕量，因此选取这一门限范围）。

然后，当脉冲（比特）开始“传送”时，用眼图确定失真度、噪声以及码间干扰（ISI）。

    ISI指标限制了比特率，以保证系统能够在脉冲之间识别出传输数据。

对图1电路的测试结果表明翻转门限与眼图模板之间具有相关性。

该眼图模板存在50%的抖动，按照NATIONALSEMICONDUCTOR的应用笔记#977[3]所介绍的方法进行测量。

测量0V差分信号和±100mV差分信号下的抖动，得到图4和图5所示数据。

    图4.Maxim的MAX3469与其它RS-485驱动器件的眼图对比[4]

    图5.MAX3469的眼图

    对于一个点到点通信系统，从±100mV差分信号（图4）或0V差分信号（图5）下的测试结果可以看出比特率与电缆长度的关系。

+100mV和-100mV门限能够正确切换差分信号大于200mV的信号，因此，该门限值可确保接收器正确接收数据（图5数据仅适用于可在0V差分输入下切换的理想接收器）。

    眼图和故障模式

    采用340英尺的5类电缆，图2给出了39Mbps传输速率下的驱动器输出眼图，图中，信号从“眼”的中间穿过-这种情况表明可能出现误码。

然而，在相同数据速率下，Maxim公司的器件不会出现这种情况（图3）。

Maxim的收发器具有对称的输出边沿和较低的输入电容，性能良好。

    采用上述测试对两款驱动器进行比较。

当数据速率较高、电缆较长时，Maxim驱动器的性能更出色。

图5给出点对点网络中Maxim器件的传输速率和距离的估计值。

根据经验，所产生的误码大致符合50%抖动极限的要求。

    各方研究数据

    在工业领域，通常可接受的传输距离和数据速率的最大值分别为4000英尺和10Mbps，当然这两个值不能同时满足。

然而，利用最新器件和精细的系统设计，可在较长的电缆下实现较高的数据吞吐率。

    预加重[5]是一种改善数据速率与距离间关系的技术，可用于RS-485通信（图6）。

采用1700英尺电缆，工作在1Mbps固定数据速率，没有预加重驱动器或均衡接收器的RS-485收发器通常具有10%的抖动。

在相同速率下，增加驱动器预加重可使距离加倍，达到3400英尺，而且不会提高抖动。

同样，距离一定时采用预加重能提高数据速率。

速率为400kbps，电缆长度为4000英尺时，无预加重的驱动器通常具有10%的抖动。

而采用预加重可使该距离下的传输速率提升至800kbps。

    图6.数据速率与电缆长度的关系图

    另一种估算可靠传输的最大电缆长度的方法是：

利用5类电缆制造商提供的幅度衰减与频率的关系表。

根据通用规则，电缆工作时最大允许的信号衰减是-6dBV。

该数值结合厂家提供的衰减数据，计算出给定频率下的最大电缆长度。

    应用技巧

    RS-485收发器具有多种改善系统性能的特性：

    预加重（上文所述）：

降低码间干扰

    降低接收器单位负载：

低负载器件可低至1/8单位负载，允许总线上挂接最多256个器件。

这种器件还可降低总线负载，从而允许较长的电缆和较高的传输速率。

    高速器件：

目前可提供数据速率高达52Mbps的驱动器，这种高速器件须特别注意保持低传输延迟和低偏差。

    ESD保护：

ESD保护不会提高数据速率，但会改善系统工作或数据速率为0（开路）时的可靠性。

目前能够提供±15kV的内置ESD保护。

    正确的接线[6]：

RS-485用于差分传输，除地线外还需要两条信号线来传输数据（通常为24AWG双绞线）。

这两条信号线传送极性相反的信号，大大减少了EMI辐射和EMI干扰问题。

电缆的特性阻抗一般为120，这也是电缆末端终端匹配电阻的阻值―目的在于降低反射和其它线路的影响。

图7、图8给出了正确的系统连接。

    图7.单发/单收网络

    图8.多机收发网络

    结论

    综上所述，RS-485网络可在噪声环境下实现可靠的数据传输。

设计系统时需要对数据速率、电缆长度进行折衷考虑，能够在几百米长的电缆上实现高于50Mbps的数据速率，而不需使用任何中继器。

RS-485接口芯片介绍及应用中的有关问题

摘 要本文结合实际应用介绍RS-485接口芯片的种类和一些常见问题的解决方法。

   关键词RS-485 节点数