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到千兆以太网，每个协议都有特定的应用领域，但在任何情况下都需要考虑成本和物理层(PHY)性能。本文主要讨论RS-485协议及其相应协议的适当应用。还提供了基于电缆长度、系统设计和构件选择优化数据速度的方法。传输协议什么是RS-485？什么是Profibus？与其他串行协议相比，性能如何？适合哪些应用程序？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代表ANSIEIA/TIA标准)。RS-232是调制解调器、打印机和其他PC外围设备最初使用的通信标准，传输速率为单个终端20kbps，稍后增加到1Mbps。RS-232的其他规格包括5V传输级别、3V接收级别(间隔/符号)、2V公共模式抑制、2200pF最大电缆负载容量、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仅用于点到点通信系统，不能用于多点通信系统，所有RS-232系统都必须遵守这些限制。RS-422是单向、全双工通信协议，适用于噪音高的行业环境。RS-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号以差分传输的方式高达50Mbps。接收器共同模式范围为7V，最大驱动器输出电阻为100，接收器输入阻抗可以降低到4k。RS-485标准RS-485是双向、半双工通信协议，允许在总线上安装多个驱动器和接收器，并允许每个驱动器脱离总线。此规格符合所有RS-422要求，并且比RS-422更可靠。具有更高的接收器输入阻抗和更大的公共模式范围(-7V到12V)。接收器输入灵敏度为200mV。这意味着接收端电压必须大于200mV或小于-200mV，才能标识符号或间隔状态。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)。驱动器可以驱动32个单位的负载。也就是说，在总线上允许并行32个12k的接收器。对于输入阻抗较高的接收器，可以连接到一条总线的单位负载数也较高。RS-485接收器可以随机组合并连接到同一总线，但必须确保这些电路的实际并行阻抗不超过32个单位的负载(375)。采用典型的24安培双绞线方法时，驱动器负载阻抗的最大值为54。也就是说，32个单位负载并行的两个120端子匹配电阻。RS-485已成为POS、行业和通信应用程序的最佳产品。广泛的公共模式范围允许长电缆、在嘈杂环境(例如工厂现场)中传输数据。接收器输入阻抗越高，总线上的设备就越多。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、此处控制、数据收集/显示和流程控制系统与传感器，以及此处源网络之间的数据通信。注：旧式或传统工业设备的布线体系结构更复杂，不能更换。Profibus和Fieldbus是系统的总体说明。RS-485支持Profibus和Fieldbus协议的物理层接口标准。Profibus和Fieldbus之间存在一些差异，Profibus要求最小差分输出电压为2.0V，54的负载电阻。Fieldbus需要最低差动输出电压1.5V，负载电阻54。Profibus波特率为12Mbps，Fieldbus波特率为500kbps。Profibus应用程序对设置率和电容容差要求更严格。最适合的应用领域？RS-232:用于与调制解调器、打印机和其他PC外围设备通信。最大电缆长度为100英尺(典型值)。RS-422:适合单主机(驱动器)行业环境。典型应用包括工艺自动化(化学、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、HVAC、保安、电动机控制、运动控制等。RS-485:适合多主机/驱动器行业环境。类似于RS-422的常用应用程序，包括工艺自动化(化学、酿酒、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、HVAC、安全、电动机控制和运动控制。RS-485的数据速率限制因素是什么？在指定的传输距离内，传输速率受以下因素的限制：电缆长度：在特定频率下，信号强度随电缆长度衰减。电缆体系结构：5类24AWG双绞线是RS-485系统中最常用的电缆，屏蔽电缆可以显着提高噪声抑制能力，提高一定距离的数据传输速度。电缆特性阻抗：分布电容和电感可以降低信号的边缘速度，减少噪声裕度，并补偿“眼睛模板”特性。分布电阻直接导致信号级的衰减。驱动器输出阻抗：阻抗过高可能会限制驱动器功能。接收器输入阻抗：如果阻抗太低，与驱动器通信的接收器数量将受到限制。端子匹配：长电缆可以视为传输线。与电缆的特性阻抗具有相同电阻的电缆的端子匹配电阻可以降低信号反射，提高数据速度。噪波起增点：越大越好。驱动器设置速度：通过降低边缘速度(降低信号设置速度)，可以通过较长的电缆进行通信。经验资料掌握上述相关背景知识后，研究实际系统，如图1所示。图中所示的电缆是RS-485系统中最常用的电缆类型之一。EIA/TIA/ANSI5685双绞线。从长度为300至900英尺的电缆获得的数据速率为1Mbps至35Mbps。图1 .测试设备系统设计师通常从两个不同的供应商选择驱动器和接收器，大多数设计师最关心的是RS-485驱动器的传输距离和速度。Maxim驱动器(此处称为MAX3469)与其他制造商(如图2、图3所示)的驱动器性能进行比较。图2 .特定比特率、电缆长度的抖动特性和抖动通过100mV差分信号测量图3 .特定比特率、电缆长度上的抖动指示器和抖动通过0V差分信号测量观察驱动器差分输出信号的完整性，使用示波器确定80mV和-400mV之间的反转阈值(由于接收器的输入范围为200mV到-200mV，因此选择了此阈值范围)。然后，在脉冲(位)开始“发送”时，使用眼球图确定失真、噪音和代码间干扰(ISI)。ISI指标限制比特率，以便系统能够识别脉冲之间的传输数据。图1电路的测试结果表明翻转阈值与眼图模板之间存在相关性。此眼睛模板具有50%的抖动，如NationalSEMIconductor的应用程序注释#9773中所述。测量0V差分信号和100mV差分信号中的抖动，获得图4和图5所示的数据。图4 .Maxim的MAX3469与其他RS-485驱动程序的眼球地图比较4图5 .MAX3469的眼睛对于点对点通信系统，可以从100mV差分信号(图4)或0V差分信号(图5)下的测试结果中确定比特率和电缆长度之间的关系。100mV和-100mV阈值将正确切换差异信号大于200mV的信号，因此该门限值将确保接收器正确接收数据(图5数据仅适用于可以在0V差分输入上切换的理想接收器)。眼睛形状和错误模式图2使用340英尺的cat 5电缆显示了以39Mbps的波特率输出的驱动器输出的眼表。此图显示信号穿过“眼睛”的中间，可能出现错误代码。但是，Maxim公司的设备没有相同的数据速率(图3)。Maxim的收发器具有对称输出边缘和低输入电容，性能很好。使用上述测试比较两个驱动器。Maxim驱动器在数据速率高、电缆长的情况下性能更高。图5显示了Maxim设备在点对点网络中的传输速度和距离的估计。经验表明，生成的错误代码大约满足50%抖动限制的要求。当事人研究数据行业通常允许的最大传输距离和数据速率分别为4000英尺和10Mbps。当然，不能同时满足两个值。但是，您可以利用最新的设备和完善的系统设计，在长电缆上实现高数据吞吐量。预加权5是改善可用于RS-485通信的数据速率和距离之间关系的技术(图6)。1700英尺的缆线以1Mbps的固定数据速率运行，主动恶化驱动器或均衡接收器的RS-485收发器通常没有10%的抖动。如果在相同速度下主动恶化驱动器，则距离将增加一倍，而不增加抖动，达到3400英尺。同样，在一定距离使用预恶化可以提高数据速度。以400kbps的速度，如果电缆长度为4000英尺，则驱动器通常没有10%抖动。事前恶化可以在此距离提高到800kbps的传输速度。图6 .数据速度和电缆长度的关系估算可靠传输的最大电缆长度的另一种方法是利用5类电缆制造商提供的振幅衰减和频率的关系表。按照一般规则，电缆工作时允许的最大信号衰减为-6dBV。此值与制造商提供的衰减数据相结合，以计算指定频率下的最大电缆长度。应用技术RS-485收发器具有许多提高系统性能的特征，包括：预加权(如上所述):减少代码之间的干涉降低接收器单位负载：低负载设备的负载降至1/8单位，最多可以在总线上装载256个设备。此设备还可以减少总线负载，从而实现长电缆和高传输速率。高速设备：目前提供的驱动器数据速率高达52Mbps，这些高速设备需要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度，但会在系统运行或数据速度为零(打开)时提高稳定性。目前可以提供15kV的内置ESD保护。正确布线6: RS-485用于差分传输，除接地导体外，还需要两条信号线(通常为24AWG双绞线)来传输数据。这两条信号线传输