RS485通讯原理

RS-485 串行数据通信协议及其应用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 的波特率，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 Fieldbus2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#9773 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