RS-485总线.doc

摘 要： 阐述了RS-485总线规范，描述了影响RS-485总线通信速率和通信可靠性的三个因素，同时提出了相应的解决方法并讨论了总线负载能力和传输距离之间的具体关系。 关键词： RS-485 现场总线 信号衰减 信号反射 当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究。 一、EIA RS-485标准 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。 RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求： 接收器的输入电阻RIN12k 驱动器能输出7V的共模电压 输入端的电容50pF 在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关） 接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信号“1”） 因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。 二、影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素 1、在通信电缆中的信号反射 在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图1所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图2所示。 从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。 引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。 信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。 在信号分析，衡量反射信号强度的参数是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰减因子）。它的计算公式如式（1）。 RAF=20lg(V ref /V inc ) （1） 式中：V ref 反射信号的电压大小；V inc 在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。 具体的测量方法如图3所示。例如，由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V，反射信号的峰-峰值为+0.297V，则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时，它的反射衰减因子为： RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB 要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理，后面将做详细介绍。 2、在通讯电缆中的信号衰减 第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路，如图4所示。 电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。PROFIBUS用的LAN标准型二芯电感（西门子为DP总线选用的标准电缆），在不同波特率时的衰减系数如表1所示。 表1 电缆的衰减系数 通讯波特率 16MHz 4MHz 38.4kHz 9.6kHz 衰减体系数（1km) 42dB 22dB 4dB 2.5dB 3、在通讯电缆中的纯阻负载 影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载（也叫直流负载）的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三者构成。 在叙述EIA RS-485规范时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点，配置了150终端电阻的情况下，至少能输出1.5V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12k，整个网络的等效电路如图5所示。按这样计算，RS-485驱动器的负载能力为： RL=32个输入电阻并联|2个终端电阻=（12000/32）（150/2）/（12000/32）+（150/2）51.7 现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驱动器负载能力可以达到20。在不考虑其它诸多因素的情况下，按照驱动能力和负载的关系计算，一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。 在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接方法如图6。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时（空闲方式）的电平拉离0电平，如图7。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。 通过下面后例子了，可以计算出偏置电阻的大小： 终端电阻Rt1=Rr2=120； 假设反射信号最大的峰-峰值Vref0.3Vp-p，则负半周的电压Vref0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref0.15/(120|120)=2.5mA。一般RS-485收发器（包括SN75176）的滞后电压值（hysteresis value）为50mV，即： （Ibias-Iref）（Rt1|Rt2）50mV 于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias3.33mA +5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1|Rt2）) （2） 通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720 在实际应用中，RS-485总线加偏置电阻有两种方法： （1）把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在RS-485总线上的每一个收发器加了偏置电阻，给每一个收发器都加了一个偏置电压。 （2）在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。 三、RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系 在设计RS-485总线组成的网络配置（总线长度和带负载个数）时，应该考虑到三个参数：纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数，在前面已经讨论过，现在要讨论的是噪声容限（Noise Margin）。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。在实际应用中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比EIA RS-485标准中规定的好一些。从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系： Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias) (3) 其中：Vend为总线末端的信号电压，在标准测定时规定为0.2V；Vdriver为驱动器的输出电压（与负载数有关。负载数在535个之间，Vdriver=2.4V；当负载数小于5，Vdriver=2.5V；当负载数大于35，Vdriver2.3V）；Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗（与通讯电缆的规格和长度有关），由表1提供的标准电缆的衰减系数，根据公式衰减系数b=20lg(Vout/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通讯波特率为9.6kbps，电缆长度1km，如果特率增加，Vloss会相应增大)；Vnoise为噪声容限，在标准测定时规定为0.1V；Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压（典型值为0.4V）。 式（3）中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式（3）可以看出，Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比，Vloss的大小和总线长度成反比，其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此，在选定了驱动器的RS-495总线上，在通信波特率一定的情况下，带负载数的多少，与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是：在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载数据少，信号能传输的距离就发越远。 四、分布电容对RS-485总线传输性能的影响 电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中，例如0x01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的电荷，来不及放电，(Vin+)(Vin-)-还大于200mV，结果使接爱误认为是“0”，而最终导致CRC校验错误，整个数据帧传输错误。具体过程如图8所示。 由于总线上分布影响，导致数据传输错误，从而使整个网络性能降低。解决这个问题有两种方法： （1）降低数据传输的波特率； （2）使用分布电容小的电缆，提高传输线的质量。 RS485总线控制能传输多远 在安防系统中,有很多设备都是以两线制形式、半双工的通讯来连接的，多是采用RS485接口作为控制总线的。由于RS485是采用平衡驱动和差分输入的,因而具有很强的抗共模干扰能力。RS485电气特性为+(2-6)V表示逻辑”1”,-(2-6)V表示逻辑”0”,其接口电平又很低,因此不易损坏。有关资料介绍RS485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，相当是1200多米，同时允许在总线上连接128个收发站。实际上RS485总线的传输长度，要受到连接方式、负载多少和外界限类线型的影响，但是影响最大的问题是控制线的长度与信号速率的关系，这个长度的数据主要是受到信号的失真度及躁声等影响所限制。使用导线截面为0.5的双绞线,当终端负载电阻为100欧时,当速率为1.2Mbit/s时,则电缆长度被限制在100米,当信号速率为100kbit/s以下时,则电缆长度被限制在1200米左右，如果采用更大的导线截面时时则可以超过这个约束值。但实际上，这个限制条件在有些方面还是比较保守的，因为在安防行业实际应用中的通讯速率都是很低的。但是，我们还是要根据据应用环境，分析设计与施工方法是否得当，注意厂家的对敷设线材的要求、端接的要求，是否应当使用屏蔽线，如果传输距离超过了1200米，则需加相应的信号增大器。RS-485标准回顾 RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议。RS-485标准定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、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS-485接口的主要特点如下： 平衡传输 多点通信 驱动器输出电压（带载）：|1.5V| 接收器输入门限：200MV 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 网络配置 RS-485支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型网络。最好采用一条总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量下降。除此之外还应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点也会发生信号的反射。例如，总线的不同区段采用不同电缆、某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装、或者是有过长分支线引出总线时都会出现阻抗不连续点。总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 有关总线上允许连接的收发器数标准并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载（UL）。每单位负载的最大输入电流为1.0MA/-0.8MA，相当于约12K。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48 K以上（1/4UL），节点数就可增加至128个，96 K输入电阻的MAX1483允许节点数可到256个。 是否对RS-485总线进行终端匹配取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率。UART是在每个数据位的中点采样数据的，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。有一条经验性的准则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配；当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250NS，典型双绞线上的信号传输速率约为0.2M/NS（24AWG PVC电缆），那么只要数据速率在250KBPS以内、电缆长度不超过16米，采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。 当考虑终端匹配时，有多种匹配方案可以选择。最简单的就是在总线两端各接一只阻值等于电缆特性阻抗的电阻。大多数双绞线特性阻抗大约在100至120之间。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大电流，对于功耗电量限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折中。除上述两种外，还有一种采用二极管的匹配方案。这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。RS-485/RS-232接口相比有何特点？由于RS-232接口标准出现较早,难免有不足之处，主要有以下几点：1. 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 2. 传输速率较低，在异步传输时,波特率为20Kbps。 3. 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4. 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能 用在50米左右。 5. RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器, 即单站能力。 关于RS-485传输线路 在使用RS-485接口时,对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆(线 径为0.51mm)，线间旁路电容为52.5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出。(曲线引自GB11014-89附录A)。可知，当数据信 号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，曲线是很保守的，在实 用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆.则取得的最大电缆长度是不相同的。例 如：当数据信号速率为600Kbit/S时,采用24AWG电缆，最 大电缆长度是200m，若采用19AWG电缆(线径为0.91mm)则电缆长度将可以大于200m；若采用28AWG 电缆(线径为0.32mm)则电缆 长度只能小于200m。通讯线须采用国际上通行的屏蔽双绞线。采用屏蔽双绞线有助于减少和消除两根485通信线之间产生的分布电容以及来自于通讯线周围产生的共模干扰。工程商大都习惯采用5类网线或超5类网线作为485通信线，这是错误的。这是因为：1. 普通网线没有屏蔽层，不能防止共模干扰。 2. 网线只有0.2mm平方，线径太细，会导致传输距离降低和可挂接的设备减少。 3. 网络线为单股的铜线，相比多芯线而言容易断裂。 RS485收发器在规定的共模电压-7V至+12V之间时，才能正常工作。如果超出此范围会影响通讯，严重的会损坏通讯接