RS-485接口电路完全指引

1、RS-485接口电路完全指南RS-485 接口电路完全指南来源： 21ic整理摘要： 本设计指南讨论如何设计 RS-485接口电 路。文中讨论了平衡传输线标准的必要性， 并给 出了一个过程控制设计例子。 文中还分标题讨论 了线路负载、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：ANSI/TIA/EIA-485-A（ 以下简称 RS-485）。 在回顾一些 RS-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

2、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。RS-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。 RS-485 具有以下特性：通讯速率高 可达到 50M bits/s通讯距离远 可达到 1200 米（注： 100Kbps 情况下）差分传输 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 RS-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 RS-485

3、传输信息。使用双绞线传输平衡信号具 有较低的噪声耦合，加上 RS-485 具有很宽的共 模电压范围，所以 RS-485 允许高达 50M bit/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 RS-485 用途广泛，越来越多的标准委员会 将 RS-485 标准作为它们通讯标准的物理层规 范。包括 ANSI 的 SCSI（小型计算机系统接口 ）、 Profibus 标准、DIN 测量总线以及中国的的多功 能电能表通讯协议标准 DL/T645 。平衡传输线标准 RS-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

4、议、时 序、串行或并行数据以及链接器全部由设计者或 更高层协议定义。最初， RS-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 ），RS-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， RS-485 没有规定最大电缆 长度，但是在使用 24-AWG 电缆、100kbps条件 下，可以传输 1.2km；RS-485 同样没有限制最 大信号速率， 而是由上升沿时

5、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RS-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 可以将传输线划分为两种模型：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tpdo 如果2tpdtt/5,则传输线必须按照分布式参数模 型处理，并且必须处

6、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 RS-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。驱动器 和接收器的负载都是相对单位负载而衡量的。RS-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7

7、V共模 电压环境中，允许通过稳态负载0.8mA电流。 单位负载可能由驱动器、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12 kQ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 12k? ，那么可以在 一根传输总线上使用多于 32 个这样的收发器。2.2 信号衰减和失真

8、 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 -6dB。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。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 双绞线电缆 500 米处、不同信号速率下， 接收端 的信号失真情况。 当信号速率进一步增加， 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，传输质量严重降级。在实际系统中，可允许 的最大抖动一般要小于 5% 。2.3 故障保

9、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。 RS-485 提供的差分传输 机制，特别是宽共模电压范围，使得 RS-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，但是价格也更高。 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。外接二极管和内部

10、集成瞬态保护二极管的例子 如下图所示：图 5 所示 RS-485 收发器 SN75LBC176 外接二极 管来防止瞬态毛刺。RT 通常是终端匹配电阻，等于电缆特性阻抗R0。图 6 所示内部集成瞬态抑制二极管的 RS-485 收 发器 SN75LBC184，用于既希望使用完整 RS-485 功能， PCB 空间又受限的场合。 SN75LBC184 在内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。2.3.2失效保护许多 RS-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

11、 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。 当驱动器处于空闲 状态时，驱动器输出高阻态。当总线空闲时，沿 线电压处于浮空状态 （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，这称之为失效保护。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

12、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 ）集成到芯片内部。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阻值下拉电 阻。这两个电阻通常在 100K 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 mV 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

13、收器状态。使用这 样的内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 RS-485 接口通用外置失效保护 电路，每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

14、何修改这些电 阻值以便适用于特定设计。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 RS-485 驱动器 和接收器都集成到一个芯片上 （称之为收发器 ）， 并且在内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，可以选择内部集成短路保护的收发器或者使用驱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，则电阻 R3 会引起输出信号额外的失真

15、。 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。如果传输线短路， R2从电路中移除，则接收器输入端电压为：VID= VCC * 2R3 / (2R1 + 2R3) 对于 RS-485 应用，标准规定接收器可识别最低 至 200mV 的输入信号。因此当 VID VIT 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 R1、R2 和R3 的影响，其输入电压为：VID= VCC* (R2

16、+ 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阻 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 * (R1 + 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 引起的信号失真以及 接收器输入电阻。注： SN75HVD10 等 3.3V RS-485 收发器以及更 新产品内部集成了短路 /开路失效保护电路。2.4 电流隔

17、离 计算机和工业串行接口往往处于噪声环境中， 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 RS-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

18、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， 这种方案通常用于过程控制。 数 据通过一对双绞线传输， 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 5V RSRS-485 收 发 器 、 3.3-V TIA/EIA-644 LVDS 或者 3.3-V TIA/EI

19、A-899 M-LVDS 收发器都可以使用这个电路。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 RS-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，供低压差线性稳压器使用。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(eBbfi趣慶吧r凰關豊蛊盘対】. 6翹 mJSd iRuno 启 pfCHI BUJd! punEg 电测巴3.过程控制设计举例为了获得更多 RS-485 系统设计知识，一个比较 好的方法是看具体的例子。考虑这样一个系统： 系统容量为 1 个主控制器、数个分站的工厂自动 化系统，每个分站都可以发送和接收数据。 系统特性如下