RS485总线的理论与实践.docx

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RS485总线的理论与实践

RS-485总线的理论与实践

文章出处：

中国论文下载中心   发布时间：

2005-11-11

作者简介：

尹　红　工程师。

主要从事计算机应用和数控产品的研究和开发工作　

　　　　　唐　煜　研究员。

主要从事计算机自动化会议系列产品的研究和开发工作

作者单位：

中国科学院成都计算机应用研究所　四川。

成都（610041）

收稿日期:

1998-08-17

 摘 要：

阐述了rs-485总线规范，描述了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并讨论了总线负载能力和传输距离之间的具体关系。

当前自动控制系统中常用的，如现场总线can、profibus、interbus-s以及arcnet的物理层都是基于rs-485的总线进行和。

一、eiars-485标准

在自动化领域，随着分布式控制系统的，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rin≥12kω

∙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120ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压（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-）≥，表示信号“0”；（v+）-（v-）≤，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eiars-485成为中数据传输的首选标准。

二、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，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。

从上，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，衡量反射信号强度的参数是raf（refectionattenuationfactor反射衰减因子）。

它的公式如式

（1）。

raf=20lg（vref/vinc）

（1）

式中：

vref—反射信号的电压大小；vinc—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，由实验测得的入射信号正弦波的峰-峰值为+5v，反射信号的峰-峰值为+，则该通讯电缆在的通讯速率时，它的反射衰减因子为：

raf=20lg=

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16mhz4mhz

衰减体系数（1km）≤42db≤22db≤4db≤

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eiars-485规范时曾提到过rs-485驱动器在带了32个节点，配置了150ω终端电阻的情况下，至少能输出的差分电压。

一个接收器的输入电阻为12kω，整个网络的等效电路如图5所示。

按这样，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））≈ω

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20ω。

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，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，可以出偏置电阻的大小：

终端电阻rt1=rr2=120ω；

假设反射信号最大的峰-峰值vref≤，则负半周的电压vref≤;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流iref≤（120||120）=。

一般rs-485收发器（包括sn75176）的滞后电压值（hysteresisvalue）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ibias≥

+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=720ω

在实际中，rs-485总线加偏置电阻有两种：

（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（noisemargin）。

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。

在实际中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比eiars-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=（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；vdriver为驱动器的输出电压（与负载数有关。

负载数在5～35个之间，vdriver=；当负载数小于5，vdriver=；当负载数大于35，vdriver≤）；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=（注：

通讯波特率为，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；vbias是由偏置电阻提供的偏置电压（典型值为）。

式（3）中乘以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

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，但在时也不能忽视。

分布电容对总线传输性能的，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，从而使整个性能降低。

解决这个有两种方法：

（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。

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±（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Fieldbus[2]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要求的最小差分输出电压，54的负载电阻；Fieldbus则要求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#977[3]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。

图的MAX3469与其它RS-485驱动器件的眼图对比[4]图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