RS485RS422接口设计指南.docx

1、RS485RS422接口设计指南前 言 01RS-485与RS-422性能指标及其标准 12RS-485与RS-422器件及材料说明 13RS-485与RS-422设计原理 23 基本原理 23.1.1RS-485与RS -232电路的区别与优势 23.1.2长短连接的判断标准、物理表现与应对措施 43.1.3RS-485与RS-422典型应用电路与选择方法 53.1.4485总线上处理竞争的方法 83.2可靠性的设计 93.2.1网络配置 93.2.2总线匹配 93.23 引出线 113.2.4失效保护 113.2.5地线与接地 123.2.5.1 共模干扰问题 12325.2 电磁辐射（E

2、MI）问题： 133.2.6瞬态保护 143.2.7其它需要注意的问题 153.3电源和接地 154维护说明 15参考资料 161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47 PCB图58结构图51输入、输出接口及性能参数59 510 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

3、.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37 PCB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17

4、12.3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7 PCB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111设计目标112模块设计方案及论证11.3参考资料114基本原理115子模块设计说明11.6可编程器件说明117软件11.8工艺结构说明11.9可信性设计说明1110电源和接地11.11成本预计12模块使用与维护说明121调用说明122维护说明123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

5、35模块性能指标及其符合的标准36电原理图37 PCB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 18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、6电原理图7 PCB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111设计目标112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26PCB图27结构图28输入、输出接口

7、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27 PCB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

8、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27 PCB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

9、.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4RS485、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

10、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EIA RS-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

11、）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

12、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。1 RS-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-422EIA/TIA-485传输模式平衡平衡电缆长度（在90Kbps下）4000 ft4000 ft电缆长度（在10Mbps下）50 ft50 ft最大数据传输速度10Mbps10Mbps最小差动输出2V1. 5V最大差动输出10V6V接收器敏感度0. 2V0. 2V最小驱动器负戦100 Q60 Q最大驱动器数量132负载单位最大接收器数量1032负载单位衣1RS-485接口

13、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

14、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

15、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

16、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 115 Kbps）,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。+25 voli?5RS-232I门七ep-Fa匚e Drlver Loo.ded DutputVoltcige Range = (5 to 15 volts)traneitian regi anIJGUUJ 一 4IkJaJcl口 n_xu25 volts如图2 个RS-485驱动器必须有Enable控制

17、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. 5VOCDPTIDNAL FDR RS-422)CR匚QUIRLU FDR RS-425)BALANCED DIFFERENTIAL 口UTPUTLINE DRIVER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

18、大于1. 5V,因此噪声容限更人。* 十6 voltstr ansitionregionVen = Input Copirion Mode VoltagePernissikile Range -Por Vcm -7v Ven +7vtyplcal hysteresls 二 50 mvBALANCED DIFFERENTIAL INPUTLINE RECEIVER图3RS-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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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7 V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-7 V,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-7 V的共模电压。在我们的CDMA95与3G设计中

25、驱动器与接收器都加了共模抑制电感。3.1.3 RS-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。4000 FTMAST匚RGG叫4vw-GGe-neratorRReceiver1匚ir-cult ground ar 匚ircult 匚onman1Protective ground or frame groundGWGGreen wire ground or pawwr systsm ground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。TYPCIAL RS-485 TVD WIRE MULTI

26、DR OF NETWORK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

27、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

28、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

29、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-tlonCon Flguratl on ReceiverCircuit ground orcircuit connonProtective g

30、roundor Frame graundGWG Green vire groundor pover systpn ground图63.1.4 485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,TOKEN BUS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,

31、TOKEN BUS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“TOKEN BUS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