1 引言

1983 年，電子工業協會 (EIA) 批準了一個新的平衡傳輸標準，稱之為 RS-485。調查發現，RS-485 備受贊譽并被廣泛應用到工業、醫療和消費類產品，成為了工業接口的主力規范。

本應用報告為那些對RS-485標準不熟的工程師提供設計指南，幫助他們在最短的時間內完成穩健而可靠的數據傳輸設計。

2 標準和特性

RS-485 僅是一個電氣標準。與定義功能、機械和電氣規格的完整接口標準相比，RS-485 僅定義了使用平衡多點傳輸線的驅動器和接收器的電氣特性。

但是，很多更高級別的標準將 RS-485 規定為引用標準，例如中國的電能表通訊協議標準 DL/T645 就明確指定以RS-485 作為物理層標準。

RS-485 的主要特性：

?平衡接口 ?多點采用單一 5V 電源 ?–7V 至 +12V 總線共模范圍 ?多達 32 個單位負載 ?10Mbps 最大數據速率（距離為 40 英尺） ?4000 英尺的最大電纜長度（速率為 100kbps）

3 網絡拓撲

RS-485 標準建議使用菊花鏈連接其節點，也稱為合用線或總線拓撲（請參閱圖 3-1）。在這種拓撲結構中，所使用的驅動器、接收器和收發器通過短網存根接入主干線。接口總線可被設計用于全雙工或半雙工傳輸（請參閱圖3-2）。 全雙工實現需要兩個信號對（四根電線），以及全雙工收發器，其具有用于發送器和接收器的單獨總線訪問線路。全雙工模式允許節點在一個對上發送數據，同時在另一個對上接收數據。

在半雙工模式下，僅使用一對信號，并要求在不同的時間驅動和接收數據。兩種實現方式都需要通過方向控制信號（例如驅動器/接收器使能信號）對所有節點進行控制，確保在任何時候總線上只有一個驅動器處于工作狀態。多個驅動器同時訪問總線會導致總線爭用，這在任何時候都必須通過軟件控制來加以避免。

4 信號電平

符合 RS-485 標準的驅動器可在 54Ω 負載上提供不小于 1.5V 的差分輸出，而符合該標準的接收器可檢測到低至200mV 的差分輸入。即使在電纜和連接器的信號嚴重衰減的情況下，這兩個值仍能為高可靠性的數據傳輸提供了充足的余量。這種穩健性是 RS-485 非常適合在嘈雜環境中進行長距離聯網的主要原因。

5 電纜類型

在雙絞線上傳輸差分信號對 RS-485 應用是有利的，因為外部干擾源會以共模方式均等的耦合到兩根信號線上，這些噪聲會被差分接收器過濾掉。 工業 RS-485 電纜分為有保護套、無保護套、雙絞線、非屏蔽雙絞線，符合 22-24AWG 線規的電纜特性阻抗為120Ω。圖 5-1 所示為四線對電纜的橫截面，這種非屏蔽雙絞線通常用于 2 個全雙工網絡。兩對和單對版本的類似電纜可用于低成本的半雙工系統設計。

除網絡布線外，RS-485 標準強制設備的印制電路板布局和連接器要與網絡的電器特性保持一致，可以通過使印制電路板上的兩根信號線盡可能靠近并等長來實現。

6 總線終端和存根長度 為避免信號反射，數據傳輸線應始終端接，并且存根應盡可能的短。正確的端接需要終端電阻 RT 和傳輸電纜的特性阻抗 Z0 匹配。RS-485 標準建議采用 Z0 = 120W 的電纜，因此電纜干線通常與 120?電阻端接，線纜的末尾處各一個（請參閱圖 6-1 左半部分）。

在噪聲環境下的應用通常將 120Ω 電阻替換為兩個 60Ω 電阻，組成一個低通濾波器，用于提供額外的共模噪聲濾除能力（請參閱圖 6-1 右半部分）。請務必匹配電阻值（宜使用精度為 1% 的電阻），確保兩個濾波器的頻率降幅相等。較大的電阻容限（即 20%）會導致濾波器轉折頻率不同，并且共模噪聲會轉換為差分噪聲，從而使接收器的抗擾性降低。 存根的電氣長度（收發器與電纜干線之間的距離）應小于驅動器輸出上升時間的 1/10，并通過以下公式得出：

表 6-1 列出了圖 5-1 中（78% 速率）與各個驅動器上升時間對應的最大存根長度。

7 失效保護

失效保護使得接收器在缺少輸入信號時有能力輸出一個確定的狀態。

有三種可能的原因會導致信號丟失 (LOS)：

1.開路：線纜中斷或者收發器從總線斷開

2.短路：差分對的導線因絕緣層失效而接觸在一起

3.總線空閑：所有總線驅動器均未處于活動狀態時，會發生這種情況。 上述條件下，當輸入信號為零時，會使傳統的接收器輸出隨機狀態，現在的收發器內部都包含一個偏置電路，可以對開路、短路和總線空閑進行保護，即使信號丟失時，接收器也能強制輸出一個確定的狀態。 這些失效保護設計的缺點是最壞情況下的噪聲容限僅為 10mV，因此在干擾環境中，要增加外部失效保護電路以增加噪聲容限。 外部失效保護電路由一個電阻分壓器組成，可以產生足夠的總線差分電壓，以驅動接收器產生一個確定的輸出狀態。為了確保有足夠的噪聲容限，除了 200mV 的接收器輸入閾值外，VAB 還必須包括測得的最大差分噪聲，VAB= 200mV + V 噪聲。 ?

最小總線電壓為 4.75V、(5V – 5%)、VAB = 0.25V 和 Z0 = 120W 時，RB 為 528W。向 RT 插入兩個 523W 串聯電阻器會建立如圖 7-1 所示的失效保護電路。

8 總線負載

驅動器的輸出取決于其必須提供給負載的電流，因此在總線上增加收發器和失效防護電路會增加所需的總負載電流。為了估算可能的最大總線負載數，RS-485 指定了一個單位負載 (UL) 的假設項，它表示大約 12kW 的負載阻抗。符合標準的驅動器必須能夠驅動這些單位負載中的 32 個。現如今使用的收發器通常可以減少單位負載，例如1/8 UL，從而在總線上連接多達 256 個收發器。 失效防護偏置可貢獻多達 20 個單位的總線負載，因此收發器的最大數量 N 減少為：

因此，當使用 1/8-UL 收發器時，最多可將 96 個器件連接到總線。 9 數據速率與總線長度 在給定數據速率下，最大總線長度受到傳輸線損耗和信號抖動的限制。當波特周期的抖動為 10% 或以上時，數據可靠性會急劇下降，圖 9-1 則顯示了傳統 RS-485 電纜在 10% 信號抖動下的電纜長度與數據速率的關系曲線。

10 最小節點間距 RS-485 總線是一種分布式參數電路，其電氣特性主要由沿物理介質（包括互連電纜和印刷電路板軌線）分布的電感和電容決定。 以器件及其互連的形式向總線添加電容會降低總線阻抗，并導致總線的介質和負載部分阻抗不匹配。當輸入信號到達這些位置時，會有部分反射回信號源，造成驅動器輸出信號失真。 要確保從驅動器輸出的第一個信號傳輸到接收器輸入端時電壓電平仍有效，需要總線上任何一處的最小負載阻抗Z'> 0.4 x Z0 ，這可以通過在總線節點之間保持最小距離 d 來實現：

其中 CL 是集總負載電容，C 是每單位長度的介質電容（電纜或 PCB 軌線）。

方程式 4 顯示了最小器件間距與分布式介質和集總負載電容的函數關系；圖 10-1 以圖形方式展示了這種關系。 負載電容來自線路電路總線引腳、連接器觸點、印刷電路板軌線、保護器件以及與干線的任何其他物理連接。因此，總線到收發器（存根區域）的電氣距離要盡可能短。 下面介紹了各個電容的容值： 5V 收發器的電容通常為 7pF，而 3V 收發器的電容約為 16pF 的兩倍。電路板軌線視其結構而定，每厘米大約增加 0.5~0.8pF 電容。連接器和抑制器件的電容可能范圍會很大。介質分布式電容范圍是 40pF/m（低電容非屏蔽雙絞線電纜）至 70pF/m（背板）。 11 接地和隔離 設計遠程數據鏈路時，設計人員必須假定存在很大的接地電勢差 (GPD)。這些電壓 Vn 會以共模干擾的形式疊加到傳輸線上。即使總疊加信號在接收器輸入共模范圍內，依靠本地接地作為可靠地電流回路也是很危險的（請參閱圖 11-1a）。

由于遠程節點可能會從電氣裝置的不同部分汲取功率，當對這類裝置進行修改（即在維護工作期間）時，會使接地電勢差超出接收器的輸入共模范圍。因此，今天可正常工作的數據鏈路可能會在將來的某個時候停止運行。 建議也不要通過接地線直接連接遠端地（請參閱圖 11-1b），這是因為大的環路地電流會以共模噪聲的形式駕到信號線上。

為了直接連接遠端地，RS485 標準建議通過插入電阻器將器件地與本地系統地隔離開（見圖 11-1c）。盡管這個方法減小了環路電流，但是大環路地的存在仍使數據鏈路對環路沿線某處產生的噪聲敏感。因此，到現在為止，尚未建立一個強健的數據鏈路。 一個可以容忍數千伏接地電勢差并且強健的可長距離傳輸的 RS-485 數據鏈路方法是信號及供電電源隔離（請參閱圖 11-2）。

在這種情況下，電源隔離器（例如隔離的直流/直流轉換器）和信號隔離器（例如數字電容隔離器）可防止電流在遠程系統地之間流動，并避免產生環路電流。 而圖 11-2 僅顯示了兩個收發器節點的詳細連接，圖 11-3 給出了多個隔離收發器的示例。除一個收發器外，所有收發器均通過隔離接入總線。左側的非隔離收發器為整個總線提供了單接地基準。

編輯：黃飛

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