RS485接口电路完全的指南

RS-485接口电路完全指南你想知道的都在这里了

来源：21ic整理关键字：RS-485接口电路

本设计指南讨论如何设计RS-483接口电路。文中讨论了平衡传输线标准的必要怛，并给

出了一个过程控制设计例子。文中还分标题讨论了线路0载、信号衰减、失效保护和电流隔离。

1.为什么需要平衡传输线标准

本文的重点在于工业最广泛使用的平衡传输线标准白部1/丁必修1.4-485"（以下简称485）。

在回顾一些485标准的关键方面后，通过一个工厂自动化例子，介绍实际项目中如何实施差分

传输结构。

远距离、高噪声环境下，计算机组件和外设之间的数据传输通常是困难的，如果有可能的

话，尽量使用单端驱动器和接收器。对于这种需要远距离通讯的系统，推荐使用平衡数字电压

接口。

485是一个平衡（差分）数字传输线接口，是为了改善TIA/EIA-232（以下简称232）的局限

性而开发出来的。485具有以下特性：

•通讯速率高-可达到50Mbits/s

•通讯距离远-可达到1200米（注：100Kbps情况下）

•差分传揄-较小的噪声辐射

,多驱动器和接收器

在实际应用中，如果两个或更多计算机之间需要价格低廉、连接可靠的数据通讯，都可以

使用485驱动器、接收器或收发器。一个典型的例子是销售终端机和中心计算机之间使用485

传输信息。使用双线线传输平衡信号具有较低的噪声耦合，加上485具有很宽的共模电压围，

所以485允许高达50Mbit/s的速率通讯，或者在低速情况下具有数千米通讯距离。

由于485用途广泛，越来越多的标准委员会将485标准作为它们通讯标准的物理层规。包

括ANSI的SCSI（小型计算机系统接口）、Profibus标准、DIN测量总线以与中国的的多功能电

能表通讯协议标准DL/T645。

485

•多达二个♦位负或

•*<1JAM

@1：485蝮格典点

美健急独规格界附

■大共模电压-7V-12V

接收■冷入用抗最小12K欧幔

接收器灵触度±200mV

驱动宫负藏60欧揖

亚动器悠出极限短路电演250mA为-7V~12V)

平衡传揄线标准485于1983年开发，用于主机与外设之间的数据、时钟或控制线的数据

传输接口。标准仅规定了电气层，其它的像协议、时序、串行或并行数据以与器全部由设计者

或更高层协议定义。

最初，485标准被定义为是对TIA/EIA-422标准（以下简称422）的灵活性方面升级。鉴于

422仅是单工通讯（注：422使用两对差分通讯线，发送使用一对，接收使用一对，所以数据在

一条线上是单向传输的）>485允许在一对信号线上有多个驱动器和接收器，有利于半双工通讯

（见图1）。和422一样，485没有规定最大电缆长度，但是在使用24-A1VG电缆、lOOkgs条件

下，可以传输1.2km;485同样没有限制最大信号速率，而是由上升沿时间和位时间的比率限制，

这和232相似。在大多数情况下，因为传输线效应和外界噪声影响，电缆长度比驱动器更能限

制信号速率。

2.系统设计注意事项

2.1线负载

在485标准中，线负载要考虑线路终端和传输线上的负载。是否对传输线终端匹配取决于

系统设计，也受传输线长度和信号速率的影响（一般情况下，低速短距离可以不进行终端匹配）。

2.1.1传输线终端匹配

可以将传揄线划分为两种模型：分布式参数模型［1］和集总参数模型［2］。测试传输线属于

哪种模型取决于信号的渡越（上升/下降）时间tt与驱动器输出到线缆末端的传播时间Lpd。

如果2tpd》tt/5，则传输线必须按照分布式参数模型父理，并且必须处理好传输线终端

匹配；其它情况下，传输线看作节点参数模型，这时传输线终端匹配不是必须的。

注1：分布式参数模型-电路中的电压和电流是时间的函数而且与器件的几何尺寸和空

间位置有关。

注2：集总参数模型-电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端点的电流完全确

定，与器件的几何尺寸和空间位置无关。

2.1.2单位负载概念

挂接在同一485通讯总线上的驱动器和接收器，其最大数量取决于它们的负载特性。躯动

器和接收器的负载都是相对单位负载而衡量的。485标准规定一根传输总线上最多可以挂接32

个单位负载。

单位负载定义为：在12V共模电压环境中，允许通过稳态负载1mA电流，或者是在-7V共

模电压环境中，允许通过稳态负载0.8mA电流。单位负载可能由躯动器、接收器和失效保护电

阻组成，但不包括AC终端匹配电阻”

图2给出了SN75LBC176A收发器单位负载计算的例子。因为这款设备将驱动器和接收器集

成到一起构成了收发器（即驱动器输出和接收器输入连接到了同一根总线上），因此很难分别获

取驱动器泄漏电流和接收器输入电流。为了便于计算，将接收器输入阻抗看作12kQ并给收发

器1mA电流。这可以代表一个单位负载，一跟传输总线上允许32个这样的负载。

只要接收器的输入阻抗大于12kQ，那么可以在一根传输总线上使用多于32个这样的收发

图2:电位负笠悔念

2.2信号衰减和失真

一个有用的常识是：在最大信号速率（单位：Hz）通讯的条件下，允许信号衰减-6cB。一般

情况下，电缆供应商会提供信号衰减图表。图3所示的曲线显示了24-AWG电缆衰减和频率的

关系。

24AWG双线线电现：衰减VS频率

•人流阻抗加上集肤效应

■

•因临近效应导致的非线性和,

福射损耗1

•一般由电缆供应商提供细节*…

水0.4

经验法则：0.2

接收器勒测得失II不要大于-6dB

（驱动器输出电压的一半）

0.04

0.02

0.01

Ik10k100kIM10M

•频率-Hz

图3：信号衰减

确定随机噪声、抖动、失真等对信号影响程度的最简单方法是使用眼图。图4显示使用

20AWG双线线电缆500米处、不同信号速率下，接收端的信号失真情况。当信号速率达一步增

加，抖动的影响变得更加显著。在1Mbit/s时，抖动大约为5%，而在3.5Mbit/s时，信号开始

彻底被淹没，传揄质量严重降级。在实际系统中，可允许的最大抖动一般要小于5%。

500kbit/s1Mbit/s

前机信号发生器

输入信号500n5/div200ns/div

末始接收信号工口0%抖动5%抖动

3.5Mbit/s

测试条件；

•20AWG非屏蔽双线线电缆100ns/div

•500米通讯距南

•传输线两端揍100欧姆匹配”

•传输线两端挂接SN75LBC176收发器

50%抖动

图4:485信号失真VS信号速率

2.3故障保护和失效保护

2.3.1故障保护

和其它任何系统设计一样，必须习惯性的考虑故障应对措施，不论这些故障是自然产生还

是因环境诱导产生。对于工厂控制系统，通常要求对极端噪声电压进行防护。485提供的差分

传输机制，特别是宽共模电压困，使得485对噪声具有一定的免疫力。但面对复杂恶劣环境时＞

其免疫力可能不足。有几种方法可以提供保护，最有效的方法是通过电流隔离，后面会讨论这

个方法。电流隔离能够提供更好的系统级保护，但是价珞也更高。更流行并且比较便宜的方案

是使用二极管保护。使用二极管方法代替电流隔离是一种折衷方法，在更低层次上提供保护。

外接二极管和部集成瞬态保护二极管的例子如下图所示：

图5所示485收发器SN75LBC176外接二极管来防止瞬态毛刺。

%=%=120Q

GMS05可以将共模

输入电压范围限制

到5V

GMS05

S5：噪声环境中的输入保护

RT通常是终端匹配电阻，等于电缆特性阻抗R0。

图6所示部集成瞬态抑制二极管的485收发器SN75LBC184，用于既希望使用完整485功

能，PCB空间又受限的场合。SN75LBC184在部集成了保护二极管，针对高能量电气噪声环境，

可直接替换SN75LBC176。

$

TAA

-

.

SN75LBC184

•收发器内部集成瞬态抑制二极管

•可承受mow峰值脉冲干扰

•电噪声环境下最高速率达250kbit/$

・转换速率受控，允许更长的分支节点

S6:集成瞬态电压保护，用于噪声环境

2.3.2失效保护

许多485应用也要求提供失效保护，失效保护对于应用层是很有用的，需要仔细考虑并充

分理解。

在任何多个驱动器/接收器共用同一总线的接口系统中，驱动器大多数时间处于非活动状

态，这个状态被称为总线空闲状态。当驱动器欠于空闲状态时，驱动器输出高阻态。当总线空

闲时，沿线电压欠于浮空状态（也就是说，不确定是高电平还是低电平）。这可能会造成接收器

被错误地触发为高电平或低电平（取决于环境噪声和线路浮空前最后一次电平极性）。显然，这

种情况是不受欢迎的。在接收器前面需要有相关电路，将这种不确定状态变成已知的、预先约

定好的电平，这称之为失畋保护。此外，失效保护还要能防止因短路而引起的数据错误。

有很多方法可以实现失效保护，包括增加硬件电路和使用软件协议。尽管软件协议实现起

来比较复杂，但这是优先推荐的方法。但是因为大多数系统设计师、硬件设计师更喜欢使用硬

件实现失效保护，增加硬件电路实现失效保护更经常被使用。

无论出现短路还是开路情况，失效保护电路必须为接收器提供明确的输入电压。如果通讯

线所处环境非常恶劣，则线路终端匹配也是必须的。

目前很多厂商开始将一些失效保护电路（如开路失效保护）集成到芯片部。通常这些额外的

电路只是在接收器同相输入端增加一个大阻值上拉电阻、在接收器反相端增加一个大限值下拉

电限o这两个电阻通常在100KQ左右，这些电阻和终端匹配电阻形成一个潜在的驱动器，仅

能提供几个晒的差分电压。因此，这个电压（接收器临界电压）并不足以切换接收器状态。使

用这样的部上下拉电阻允许总线不进行终端匹配，但是会显著的降低最大信号速率和可靠性。

图7给出了一些485接口通用外置失效保护电路，底个电路都尽力维持接收器输入端电压

不小于最小临界值并在一个或多个故障条件（开路、空闲、短路）下，维持一个已知的逻辑状态。

在这些电路中，R2代表传输线阻抗匹配电阻，并成为电压驱动器的一部分：产生稳态偏置电压。

这里假设每个接收器代表1个单位负载。

图7右半部分的表格中列出了一些典型电阻和电容值、提供的失效保护类型、使用的单位

负载个数和信号失真。在下一节中，会通过对短路失效电路中的电阻值计算，来说明如何修改

这些电阻值以便适用于特定设计。

5V

欧姆开路空闲却造u.1.A.dB

R1=2500

R3=noYYY5.6-0.5

R2=120

R1=27000

R3=1000YYY1.5-1

R2=120

欧姆开路空闲短路u.1.A,dB

R1»620

R2=120YYN20o0

图7:外部485失效保护电路

要实现短路保护，需要更多的电阻。当电缆短路时，传输线阻抗变为零，终端匹配电阻也

背短路。在接收器输入端串联额外的电阻可以实现短路失效保护。

图8所示的额外电阻R3仅能用于驱动器和接收器分离的场合。现在的绝大部分485驱动

器和接收器都集成到一个芯片上（称之为收发器），并且在部连接到同一个总线上，这种收发器

不可以使用短路失效保护。如果需要进行短路保护，可以选择部集成短路保护的收发器或者使

用躯动器和接收器分离的器件，比如SN75ALs180。如果在收发器使用短路失效保护电路，则电

阿R3会引起输出信号额外的失真。驱动器和接收器分离的器件SN75ALs180不会有这个问题，

因为驱动器是直接连到总线上的，旁路掉了R3。

下面对电阻值经行计算。如果传揄线短路，R2从电路中移除，则接收器输入端电压为：

VID=VCC*2R3/(2R1+2R3)

对于485应用，标准规定接收器可识别最低至200rW的输入信号。因此当VID>MT或者

VID>200mV，能够确定一个已知状态。这是第一个设计约束条件：

VCC*2R3/(2R1+2R3)>200mV

当传输线上为高阻态时，接收器受到RI、R2和R3的影响，其输入电压为：

VID=VCC*(R2+2R3)/(2R1+R2+2R3)

得到第二个设计约束条件：

VCC*(R2+2R3)/(2R1+R2+2R3)>200mV

传输线会受终端匹配电限R2与两倍的(R1+R3)并联影响。传输线的特性阻抗Zo与之相匹

配，这得到第三个设计约束条件：

Zo=2R2*(RI+R3)/(2R1+R2+2R3)

其它设计约束条件包括由失效保护电路提供的额外线负载、由R3和R1引起的信号失真以

与接收器输入电阻。

注：SN75HVD10等3.3V485收发器以与更新产品部集成了短路/开路失效保护电路。

2.4电流隔离

计算机和工业串行接口往往欠于噪声环境中，可能会影响数据传输的完整性。对于任何接

口电路，经过测试的可以改善噪声性能的方法是电流隔离。

在数据通讯系统中，隔离是指多个驱动器和接收器之间没有直接电流流通。隔离变压器为

系统提供电源，光耦或数字隔离器件提供数据隔离。电流隔离可以去除地环流，抑制噪声电压。

因此，使用这种技术可以抑制共模噪声，降低其它辐射噪声。

举一个例子，图9显示了过程控制系统的一个节点，通过485链路连接数据记录器和主计

算机。

当临近的电动机启动时，数据记录器和计算机的地电势会出现瞬间不同，这通常会引起一

个大电流。如果数据通讯没有采用隔离方案，数据可能会丢失，更坏的情况下会损害计算机。

2.4.1电路描述

图9所示的原理图是分布式监视、控制和管理系统的一个节点，这种方案通常用干过程控

制。数据通过一对双线线传输，地线使用屏蔽层。这类应用常常需要低功耗，因为许多远程分

站使用电池或者要求有备用电池(电容停电后，需要设备能使用备用电池工作一定时间)。此外，

使用低功耗计数，可以使用小型隔离变压器。如图9所示，收发器使用SN65HVD10，当然任何

TI公司3.3V或5VRS485收发器、3.3-VTIA/EIA-644LVDS或者3.3-VTIA/EIA-899M-LVDS

收发器都可以使用这个电珞。

2.4.2操作原理

图9所示的例子可用于3.3V或5V，电源使用变压器隔离，数据信号采用数字隔离器隔离。

因为485收发器需要隔离电源，可调LDO稳压器必须被隔离。可以使用与非门振荡电路驱动隔

离变压器实现这一功能。变压器的输出电压经过调整、滤波后，供低压差线性稔压器使用。在

高EMI环境中，这种方法常用于预防其它远距离供电子系统的噪声耦合到主电源。TPS7101用

于给其它电子元件供电，最多提供500mA电流。通过调节偏置电阻R7，TPS7101可输出3.3V

或5V，具体阻值见BOM清单。

数据信号隔离又三通道数字隔离器ISO7231M完成，该设备可以通过150Mbps信号速率，

提供2.5KV(rms)电压隔离和50KV/us瞬间放电保护。

R1

---

g

MMOfl

EarthGroundPlaneIsolatedGroundPlane

09：3.3V或5V隔离485节点（左边是大地地平面，右边是隔离地平面）

表1:3,3归5V隔离485节点BOM清单

器件标号描述

U1ISO7231M数字隔离器

U23.3-Vog5-VRS-485收发器

U3SN74HC132,四通道与非门

LDO1TPS71O1,可调低压差线性（LDO）稳压器

R1电阻,2g14W,1%

R2,R3电阻JkQL4W,1%

R4,R5电阻，10C14W,1%

R6电阻,250g1/4W,1%

3.3-V输出电阻,309kQ14W1%

R77

5V-V输出电阻,549kH14W,1%

R8电阻，169kQl4W,1%

R9,R10电阻，120Q1/4W,1%

C1,C7电容,0.01gF,100V10%

C2电容,0.001pF,100V10%

C3,C4电容,100pF,100Y10%

C5电容JpF,100V10%

C6电容,47pF,100V10%

C8,C9,C10电容,0.1pF,100V10%

D1,D2二极管,1N4148

D3,D4二极管,1N5817

Q1,Q2晶体管,2N2222