RS-485概述

欢迎来到 关于RS-485技术的概述。 TIA/EIA-485A或RS-485是一种差分信令标准 它定义了驱动程序和接收器的电气特性， 用于实现一个平衡的多点 传输线。 该标准将作为更高级别标准的 物理层引用， 如DLT-645、DMX-512、 Modbus和其他 并因其坚固的电气特性在工业应用中 得到广泛应用。 RS-485可以连接数据终端设备 在点对点多点或多点网络架构下 进行长距离通信， 以高达每秒50兆的数据速率通信。 RS-485是一种平衡传输标准， 7意味着它需要两条信号线， 它们的电压是彼此的倒数。 这为信号的完整性提供了两个优势， 首先因为这两条信号线 是用双绞线实现的，来自外部的噪声 由对等效成两根信号线 作为共模噪声，这是被差分接收器 所拒绝的。 第二，因为这两条信号线的开关 是反向的，每条线发出的电磁场， 都是对立的， 且互相抵消。 RS-485是工业应用中 通信的理想技术。 首先，如前所述，RS-485接收器 有能力拒绝大量的共模噪声， 这些噪声可能通过外部振荡器 或噪声源耦合到信号线路上。 其次，RS-485允许双向通信 通过单绞线从DC 到50兆位每秒。 第三，RS-485驱动程序需要 驱动一个大的差分信号到RS-485负载。 这使得信号能够长距离传输 同时仍然足够大， 可以被接收器准确地解释。 最后，RS-485驱动程序和接收器 也需要在负7伏到正12伏的 共模范围内工作。 与其他接口标准的电位差相比， 这使得数据保真度达到， 并可能延长 RS-485传输线的可操作距离。 RS-485 网络可以使用半双工拓扑设计 所有给定的驱动和接收器网络 共享相同的双绞线或全双工 拓扑驱动和接收器之间混合的两个 探测套双绞线。 在半双工拓扑中，只有一个信号 用于获取驱动 和接收不同时间发生的数据。 同时有多个驱动程序访问总线 导致总线争用，必须通过软件控制 在任何时候避免争用。 全双工实现需要四根线中的 两对信号和全双工收发器 并为发射器和接收器提供单独的总线接入线路。 全双工拓扑允许节点 在接收另一对数据的同时， 同时传输一对数据。 两种实现都需要通过方向控制信号 如驱动程序接收器，对所有节点进行受控操作， 使信号能够确保在总线上任何时候 只有一个驱动程序是活跃的。 RS-485标准建议节点 在菊花链结构中联网。 在这个架构中，参与驱动程序、 接收器和收发器通过短网络存根 连接到主电缆主干。 还有一些非理想的架构 可以通过RS-485来实现，比如star, ring, 骨干开始拓扑， 但是这些都会在总线上引入反射和驻波 降低了网络整体信号 的完整性。 为了在这些非理想拓扑中 实现可靠的通信，必须大幅度降低 数据速率。 降低数据速率会增加比特时间 并有助于抵消反射和驻波的影响， 因为较长的比特时间允许总线上的振铃 在采样点之前消退。 如果必须使用非理想的网络拓扑， 最好在每个节点插入一个中继器节点。 RS-485差分驱动器实现 作为H桥输出级，驱动电流从A端 到B端，反之亦然，具体取决于 数据输入D的逻辑状态。 在给定负载下，估计驱动器差分 输出电压，假设每个高、低侧 晶体管的导通电阻在20至30欧姆之间。 RS-485差分接收器由一个电阻分配器组成， 在A和B的每个输入端都有一个电阻分配器， 它有两个功能。 首先，电阻R2和R3偏置 比较器的输入相对于本地电源 电压和接地。 这允许比较器评估差 电压之间的A和B，而不需要 之间的驱动器接地 和接收器接地。 其次，它将超出接收器 供电电压范围的信号衰减 到供电范围内的电平。 由于总线上收发信机之间 可能存在的接地电位差， 设备的A和B端子可能出现 电压低至- 7伏特，高至+ 12伏特。 衰减系数通常是 在10到1的数量级，所以电压等级 实际上出现在比较器输入 是在设备的工作范围内。 TIA/EIA-485A标准定义了 RS-485兼容的 驱动程序能够提供最小差分输出 电压1.5伏特通过负载54。 该标准还规定RS-485接收机输入 阈值灵敏度为正负200毫伏。 这两个值为可靠的数据传输提供了足够的裕度， 即使在长电缆长度和连接器 出现严重信号退化的情况下也是如此。 这种鲁棒性是RS-485 适用于噪声环境中长距离 网络的主要原因。 数据传输线路应始终终止， 和存根应尽可能短，以避免信号反射 和驻波在信号线上。 图1显示了不建议使用 未终止网络。 为了在未终止网络中 实现可靠的通信， 必须大幅度降低数据速率。 如前所述，降低数据速率 增加了比特时间，并有助于抵消 反射和驻波的影响， 因为较长的比特时间允许总线上的振铃 3抑制在采样点之前 消退。 图2显示了正确的终端， 这减少了终端电阻，RT， 与传输电缆的特性阻抗 Z零的匹配。 由于RS-485推荐使用 120欧姆中特性阻抗的电缆， 所以电缆干线通常是两端各有一个120欧姆电阻。 这减少了反射和驻波在总线 通过吸收能量在总线正常运行。 图3显示了另一种 终止RS-485网络的选项， 这对于嘈杂环境中的应用程序非常理想。 在本方案中，120欧姆电阻 被两个60欧姆低通滤波器替换， 以提供额外的共模噪声滤波。 重要的是匹配电阻值，最好是 与1%的精密电阻，以确保 两个滤波器的滚下频率相等。 较大的电阻容差，如20%， 导致滤波器角不同， 共模噪声转换为差分噪声， 从而影响接收器的噪声抗干扰能力。 RS-485总线与节点 之间的距离为存根。 根据经验，短截距的电长度 应小于RS-485驱动器输出上升时间的1/10， 或者根据所提供的公式 计算出短截距。 根据德州仪器RS-485多台收发机的 经验上升时间数据 和一根速度因子为78%的电缆， 给出了它们的最大存根长度。 从这些数据可以看出， 长上升时间的驱动程序非常适合 需要长存根长度的应用程序。 驱动程序的上升时间 也直接关系到EMI性能的好坏 对噪声敏感的应该考虑 以较慢的转换速率实现收发器。 由于存根长度开始于节点连接 从主电缆干线分支出去的地方， 因此菊花链网络和使用接线盒的骨干网络 之间的存根链接可能存在显著差异。 故障安全操作是指接收方 在没有输入信号的情况下， 能够假设一个确定的输出状态。 三个可能的原因可以导致信号的丢失。 第一，由总线上收发器的线路断开或失联 引起的开路。 第二，绝缘故障引起的短路 连接一根主线到另一根主线。 第三，空闲总线发生时， 没有一个总线驱动程序是活跃的。 因为这些条件可能导致传统接收器 当输入信号为0时来假设随机输出状态， 现代收发器的设计包括偏压电路 开路，短路，空闲总线故障保险 在信号丢失的情况下，强迫接收器的输出 到一个确定的状态。 这些故障安全设计的一个缺点是 它们最坏的情况下的噪声裕度小于100毫伏， 因此需要外部故障安全电路 来增加噪声裕度， 应用于非常嘈杂的环境。 外部故障安全电路由电阻电压分频器组成， 该分频器产生足够的差分总线电压， 驱动接收器 输出到确定的状态。 为了保证足够的噪声裕度， VAB必须包含测量到的最大差分噪声 加上200毫伏接收机输入的 阈值。 因为驱动程序的输出依赖于电流 并且必须提供给负载，所以添加收发器 和故障保护电路到总线 会增加所需的总负载电流。 为了估计可能的最大总线负载数， RS-485指定了一个假设术语 称为单元负载，它表示大约12k欧姆的 负载阻抗。 符合标准的驱动程序必须是 能够驱动其中32个单元负载。 然而，今天的收发器通常是 提供一个较低的单元负载，例如1/8个单元负载， 因此允许在总线上连接 多达256个收发器。 由于故障安全偏置增加了 至20个单位的总线负载， 因此最大的数量减少了。 RS-485应用受益于双绞线上的差分信令 因为来自外部源的噪声对均匀进入的两条信号线 作为共同节点噪声， 被差分接收器 输入拒绝。 工业RS-485电缆是一种护套式无屏蔽双绞线 其特性阻抗为120欧姆， 通常为22至24美国线规。 在给定的数据速率下， 传输线路损耗和信号抖动 限制了最大总线长度。 所提供的图表显示了电缆长度 与传统RS-485电缆。 在10%的信号抖动下的数据速率特性。 图的第1部分显示了短电缆长度上的 高数据速率区域。 这里可以忽略传输线的损耗， 数据速率主要由 驱动的上升时间决定。 虽然标准建议10兆比特每秒， 今天的快速接口电路可以运行在 高达50兆比特每秒的数据速率。 第2节显示了从短到长的数据线的转换。 现在必须考虑传输线的损耗， 因此随着电缆长度的增加， 数据速率必须降低。 根据经验，行的长度 乘以数据速率的乘积 应该小于3乘以10的7次方。 第3节给出了较低的频率范围 或线路电阻，而不是电缆长度的开关限制。 这里电缆电阻接近 终端电阻的值。 这个分压器使信号衰减6分贝。 在设计远程数据链路时， 设计者必须假定存在 较大的地面电位差异。 这些电压作为共模噪声 添加到发射机输出。 即使总叠加信号 在接收机的输入共模范围内， 依靠对局部接地作为可靠路径进行返回电流 也是危险的。 因为远程节点可能会吸引他们的电力 不同部分的电气安装、修改安装 在日常维护工作中 可以增加地面电位差的 接收器的输入共模 超出范围， 今天这样一个数据链路的工作 可能在未来一段时间停止操作。 如果可能的话，使用地线。 也不建议通过地线直接连接远程地面， 因为这会导致大的地面回路 电流耦合成共模噪声进入数据线。 为了实现远程接地的直接连接， RS-485标准建议通过插入电阻 将设备接地和本地接地分开。 虽然这种方法降低了环路电流， 但是由于存在一个大的地面环路， 使得数据链路对环路上其他地方 产生的噪声保持敏感， 因此还没有建立一个鲁棒的数据链路。 这里有一些RS-485工具和参考设计 来帮助你开始设计 或者把你的设计带到下一个层次。 有三个不同的评估模块 用于评估德州仪器 RS-485收发器。 第一个是半双工EVM， 它支持八脚SOIC收发器。 下一个是SN65HVD22EVM， 它同时支持 和14针SOIC全双工收发器。 最后，还有全双工EVM， 它只支持14针SOIC收发器。 这三种EVMs都可以通过 德州仪器网站的RS-485 接口产品页面上的工具和软件下方获得。 许多工业通信网络 要求在主从节点之间 同时分配电源和数据线路。 随着节点间距离的增加， 布线成本也随之增加。 将电源和数据通信 组合到一对公共的电线上， 可以减少连接每个节点的总电线数， 并且可以提供显著的成本节约。 它还可以帮助将新系统的安装过程 应用到现有的电缆基础设施中， 这些基础设施只用于数据 或只用于配电。 TIDA-00527基准设计采用偏置T结构， 以便将功率和数据结合起来。 高频数据，本例中来自RS-485收发器的 高频数据通过串联电容连接到配电线路， 该串联电容允许数据通过， 同时保护收发器 不受总线上大直流电压的影响。 电源通过电感器 连接到线路，允许直流电源 通过线路进行分配， 并在另一端进行过滤。 注意，这种技术要求 被传输的数据信号 在直流或非常低的频率下没有内容。 串联电容形成单极高通滤波器， 在母线的每一端都有并联端子电阻， 最低信号频率 应高于滤波器截止频率。 曼彻斯特编码是一种常用的方法 来消除数据信号的直流部分， 虽然其他编码方案如8b/10b 也可以使用。 TIDA-01171参考设计详细说明了 RS-485信号的交流耦合。 虽然这些信号是典型的直流耦合， 使用交流耦合有几个优点。 交流耦合允许收发器协同运行 大的共模偏移量， 启用远程通信， 无需额外地线路由。 交流耦合也保护收发器 免受高压直流故障。 例如，如果差分母线短路 到电源。 这种保护在工业应用中是有用的， 要求数据传输的长距离 与最低数量的电线。 TIDA-01090参考设计允许 RS-485总线上的通信方向 在节点需要传输数据时自动设置。 当数据从主机微控制器 或通用异步接收机发射机或UART 发送到收发机时， 收发机使驱动程序 可配置时间。 这消除了手动控制驱动程序 启用收发器和需要 接收器启用控制， 减少实现RS-485接口 所需的逻辑引脚数量。 TIDA-01365参考设计实现了一个 1到4或4到1双向RS-485扇出中心 与直流对直流转换器， 采取24伏工业电源所需的5伏 RS-485收发器和微处理器。 该设计还具有一个自动方向控制电路， 当数据从主机MCU 或UART发送到收发设备时， 驱动程序可在可配置的时间长度内 进行配置。 这消除了手动控制驱动程序 启用收发器和需要 接收器启用控制， 减少逻辑引脚的数量 需要实现RS-485接口。 详细介绍了TIDA-01365的设计技术， 可以在难度较大的星型环 和具有星型网络拓扑结构的骨干中实现， 以保证数据的保真度。 谢谢你的时间。 请让德州仪器 工业接口应用团队和业务开发团队 通过这些邮件列表向我们发送电子邮件，