1.1 什么是 RS-485

欢迎观看高精度实验室视频。 在本系列中，我们将讨论 RS-485，它是什么 以及为何使用它。 RS-485 代表“推荐标准”， 由美国电信行业协会和 电气工业联盟于 1983 年创建。 RS-485 是差分信号标准， 它定义了用于实现平衡多点 传输线路的驱动器和 接收器的电气特性。 该标准旨在用作 DLT-645、 DMX-512、Modbus等更高级别 标准的物理层，并以其强大的 电气特性广泛用于 各种工业应用。 RS-485 允许在多点网络上 进行串行通信。 一些示例包括从发送器侧 生成的所需最小信号振幅， 接收器的输入灵敏度 和接收器的输入阻抗。 标准中未定义布线、连接器 和数据协议，从而为系统设计人员 提供了灵活性。 RS-485 是一种平衡的传输 标准，这意味着它需要两条电压彼此 相反的信号线。 这为实现信号完整性提供了两项优势。 首先，由于两条信号线是使用 双绞线电缆实现的，因此 来自外部源的噪声会作为共模噪声 均等地耦合到两条信号线中， 进而被差分接收器抑制。 其次，由于两条信号线彼此 反向切换，因此每条线 发出的电磁场彼此相反，从而 有助于衰减发出的噪声。 RS-485 支持跨两根导线的多点双向 通信，这可以帮助降低电缆成本， 以及减少将大差分信号驱动到 RS-485 负载中 所需的 RS-485 驱动器。 这使信号可以长距离传输， 同时仍然足够大，可以被接收器 准确地解释。 RS-485驱动器和接收器 还需要在负 7 伏至 12 伏的共模 范围内工作。 这在存在大接地电势偏移的情况下 相对于其他接口标准实现了数据保真度， 并且可以扩展RS-485 传输线的 可操作距离。 RS-485 总线包含多个以并联 方式连接到总线电缆的收发器。 为了消除线路反射，电缆的每个 末端都用一个表示为RT 的端接电阻器 进行端接，该电阻器的值与电缆表示为 Z0 的特性 阻抗相匹配。 这种称为并行端接的方法 可以为更长的电缆提供更高的数据速率。 图 A 显示了典型的半双工 RS-485 总线 配置。 半双工或两线制总线包含多个 以并联方式连接到单个线对的驱动器 和接收器。 在半双工通信中，收发器可能正在 发送数据或正在接收数据，但不能同时发送 数据和接收数据。 任何时候只能有一个连接到总线的驱动器处于活动 或启用状态。 如果有多个活动的驱动器，则会导致 数据错误，并可能导致收发器损坏。 图 B 显示了典型的全双工 RS-485 总线 配置。 全双工或四线制总线以主从配置 进行连接，其中主节点的驱动器 以并行方式连接到一个 线对上的所有从接收器。 主节点的接收器 以并行方式连接到第二个线对上的所有 从驱动器。 单独的总线电缆允许在主节点 和从节点之间同时进行双向通信。 在要求低数据速率的应用中， 通常首选半双工配置， 因为该配置具有较低的电缆成本。 由于能够同时传输和接收 数据，全双工网络可以适应 需要更高带宽的应用。 RS-485 驱动器包含两对 晶体管和二极管。 D 输入引脚上的逻辑电平定义了 当驱动器处于活动状态时 哪对晶体管偏置，并且可以在类似于 H 桥的负载的任一方向上 驱动电流。 从引脚 A 到引脚 B测得的负载电阻器上的 电压降称为驱动器的差分 输出电压。 请回忆一下，我们说过驱动器可以在两个方向上 驱动电流。 这意味着，相对于引脚 a， 差分输出电压可以为负，如右图所示。 在理想情况下，驱动器的 差分电压应为VCC 的整个范围。 但是由于驱动器的 结构，二极管和晶体管上 存在电压降，从而使差分电压降低。 因此，驱动器的总差分电压 为高电压减去二极管的两个 电压降，再减去晶体管上的两个 电压降。 为了使 RS-485 驱动器处于 RS-485 规格之内， 所有驱动器都需要能够在 54 欧姆电阻器上产生最小 1.5 伏的 差分输出电压。 该图显示了驱动器的 简化模型，其中我们的引脚 A 和 B 在负载电阻上产生了 电压差。 但是引脚 A 和B 是该差值的 正/负一半加上失调电压。 RS-485 接收器将通常超出 接收器电源电压范围的 传输信号衰减至处于电源电压范围内的 电平。 由于总线上的接收器之间 可能存在接地电位差，因此 在设备的 A 和B 端子上可能 会出现低至负 7 伏和高至 12 伏的电压。 衰减系数通常大约 为 10 比 1。 因此，实际出现在比较器输入端的 电压电平处于设备的工作 范围之内。 电压输入阈值正或 VIT 正是一个 特定的值，如果高于该值，当 VID 或电压输入差大于或等于 VIT 正 或电压输入阈值正时， 接收器输出必须处于高电平。 请回忆一下，电压输入差或 VID 等于 VA 减去 VB。 TIA/EIA-485A 规定，接收器的正 输入阈值 VIT 正不应大于正 200 毫伏。 电压输入阈值负是一个特定的值， 如果低于该值，当 VID 或电压 输入差小于或等于VIT 负或电压输入 阈值负时，接收器输出 必须处于低电平。 TIA/EIA-485A 规定，接收器的负 输入阈值 VIT 负不得低于负 200 毫伏。 当 VIT 负小于或等于 VID，VID 小于或等于 VIT 正时，接收器输出状态 不确定。 现代收发器的电压输入 阈值正或VIT 正小于 或等于零伏。 这是为了确保接收器在发生总线短路、开路 和空闲事件期间输出失效防护 高电平，而无需使用外部失效防护电阻器。 外部失效防护电阻器会增大 总线上的共模负载。 因此，通过使用具有集成失效防护 保护失调电压接收器输入阈值的收发器， 可以将更多接收器连接到总线。 在发生总线短路事件期间，A 和 B 接收器 输入端子会短接在一起，从而产生 零伏的差分输入电压VID 和高接收器输出。 在发生总线开路事件期间，A 和 B 端子悬空， 接收器比较器输入由接收器输入 偏置网络决定，这两者是相等的， 从而产生零伏的差分输入电压 VID 和高接收器输出。 在发生总线空闲事件期间，在任一总线上没有驱动器 主动地建立电位。 由于在这种情况下没有电流流过，因此 短接电阻器上的差分电压为零伏， 从而产生零伏的差分输入电压 VID 和高接收器输出。 迟滞电压VHYS 指定 VIT 正 和 VIT 负之差的最小值。 迟滞电压VHYS 的最小值 指定了在发生开关事件期间 保证接收器不受干扰的 差分噪声的最大值。 TIA/EIA-485A 规定，符合标准的 RS-485 驱动器 必须能够在负 7 伏至正 12 伏的共模 范围内驱动 1.8 伏差分输出电压， 具有 32 个单位负载接收器的等效负载。 单位负载等效于 12 伏 或 12 千欧时 1 毫安的输入泄漏电流。 现代收发器具有更高的接收器输入 阻抗，从而允许总线上存在更多的收发器。 显示的表中提供了不同 接收器特性的单位负载、 总线输入泄漏电流和等效输入阻抗。 总线输入泄漏电流是通过数据表确定 接收器负载的最可靠方法。