RS485通信接口设计技巧

电子设计联盟 · 发表于 2024-9-19 08:15:00

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1983年，电子工业协会（EIA）批准了一项新的平衡传输标准，称为RS-485。作为一种强大而灵活的标准，RS-485迅速获得了广泛的认可，并被广泛应用于工业、医疗和消费类产品领域，成为工业接口的主流规范。
RS-485的优势在于其适应性强、抗干扰能力高，且能够在长距离、多节点的环境中实现可靠的数据传输。
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标准和特性
RS-485 是一种电气标准，主要定义了平衡多点传输线上的驱动器和接收器的电气特性。与涵盖功能、机械和电气规格的完整接口标准不同，RS-485 仅专注于电气方面的定义。这种特性使其在多种应用中具有高度的适应性和灵活性。

RS-485 标准因其电气特性被广泛应用于多个更高级别的协议和标准。例如，在中国，电能表通讯协议标准 DL/T645 明确将 RS-485 作为物理层标准。这表明 RS-485 在确保关键应用中的数据传输可靠性方面具有重要作用，如能源管理和计量系统。

RS-485 的主要特性：

平衡接口：RS-485 使用平衡的差分信号传输方式，这种方式能够有效抵御噪声和干扰。在工业环境中，电磁干扰（EMI）可能会严重影响通信的可靠性，因此平衡接口提供了必要的抗干扰能力。

支持多点配置：RS-485 允许在同一总线上连接多个设备。一个总线最多可以支持 32 个单位负载（每个设备的负载被称为一个单位负载），使其在需要多节点通信的应用场景中表现出色。

单一电源供电：RS-485 系统可以使用单一的 5V 电源，这简化了电源管理并降低了系统成本。

广泛的共模电压范围：RS-485 支持 –7V 至 +12V 的总线共模电压范围。
这种宽广的电压范围使得 RS-485 能在各种电气环境中稳定工作。

数据速率和电缆长度：RS-485 的最大数据速率为 10Mbps（当电缆长度为 40 英尺时），而在较低速率下，最大电缆长度可以达到 4000 英尺（在速率为 100kbps 时）。这使得 RS-485 适用于需要长距离数据传输的应用。

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网络拓扑
RS-485 标准建议使用菊花链（Daisy Chain）来连接网络节点。

菊花链拓扑（Daisy Chain）是 RS-485 网络中常见的连接方式。在这种拓扑结构中，所有的节点（驱动器、接收器和收发器）通过短网存根（Stub）连接到一条主干线。主干线在拓扑中起到承载信号的作用，而存根则连接每个具体的设备。

主干线：作为信号传输的主要通道，所有的设备都通过短网存根连接到主干线。

网存根：每个设备通过网存根与主干线连接。为了保持信号的完整性，存根的长度应尽可能短。

这种拓扑结构的优点在于它的简单性和成本效益，适用于大多数低到中等规模的应用。

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RS-485 支持两种数据传输模式：全双工（Full-Duplex）和半双工（Half-Duplex）。

全双工模式：

信号对：需要两个信号对（共四根电线）来实现全双工通信，即一个信号对用于发送数据，另一个信号对用于接收数据。

全双工收发器：每个全双工收发器具有独立的发送和接收线路，允许节点同时发送和接收数据，从而提高通信效率。

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半双工模式：

信号对：仅使用一对信号线（共两根电线）。在半双工模式下，数据的发送和接收是交替进行的，即一个信号对在某个时刻用于发送数据，另一时刻用于接收数据。

方向控制：半双工系统需要使用方向控制信号来切换数据的发送和接收状态。这通常由驱动器/接收器使能信号控制，确保在任何时刻只有一个设备处于发送状态，以避免信号冲突。

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在 RS-485 网络中，所有的设备共享同一条总线，因此在任何时刻，必须确保只有一个驱动器在工作。如果多个驱动器同时尝试发送数据，将导致总线争用（Bus Contention），这会造成数据冲突和通信错误。

软件控制：避免总线争用的关键在于精确的控制策略。这通常通过软件来实现，通过逻辑判断和控制信号，确保在任何时刻只有一个驱动器处于活动状态。

硬件保护：有时还需要硬件保护措施，例如使用终端电阻来减少信号反射，并提高网络的鲁棒性。

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信号电平
RS-485 标准的一个关键特点是其电气性能，特别是驱动器和接收器的差分信号特性。
RS-485 信号电平特性：
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3.1、驱动器的差分输出
符合 RS-485 标准的驱动器在 54Ω 负载上能提供不小于 1.5V 的差分输出电压。这意味着驱动器能够产生足够强的信号，以确保信号在电缆和连接器中经过长距离传输后仍能保持较好的质量。

负载阻抗：RS-485 驱动器的设计考虑了电缆的特性阻抗，通常为 120Ω。为了适应不同的网络拓扑和布线需求，标准允许在 54Ω 负载下仍能保持足够的差分电压。

差分电压：1.5V 的差分电压提供了一个稳定的信号强度，即使在较长的传输距离和负载条件下也能有效地传输数据。高于 1.5V 的差分输出可以有效应对信号衰减和噪声干扰。

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3.2、接收器的差分输入灵敏度
RS-485 标准要求接收器能够检测到低至 200mV 的差分输入电压。这种高灵敏度使得接收器能够在信号严重衰减或噪声干扰的情况下，仍能准确接收数据。

检测阈值：200mV 的差分输入灵敏度意味着接收器可以处理很小的信号电平变化，从而提高了在长距离传输中的数据接收可靠性。

信号衰减：在长距离传输和恶劣环境中，信号可能会遭受显著的衰减和干扰。接收器的低阈值设计确保即使信号衰减严重，也能可靠地恢复数据。
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3.3、稳健性和应用
RS-485 的这些电气特性使其非常适合在嘈杂环境中进行长距离联网，具有以下优势：

抗干扰能力：高于 1.5V 的差分输出电压和低至 200mV 的输入灵敏度，使 RS-485 网络能有效抵御外部电磁干扰（EMI）和噪声。差分信号传输的特性能够有效抑制共模噪声，从而提高通信的鲁棒性。

长距离传输：RS-485 能够在长达 4000 英尺（约 1200 米）的电缆长度下保持较好的数据传输速率，适用于需要远程数据传输的应用场景。

高可靠性：无论是在工业控制、医疗设备还是消费电子产品中，RS-485 的这些特性都保证了数据传输的高可靠性，能够在复杂的环境条件下稳定运行。

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电缆类型
在 RS-485 应用中，双绞线是传输差分信号的理想选择。
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4.1、双绞线的优势
双绞线传输差分信号具有显著的优势，这主要归因于其结构和电磁干扰（EMI）的处理方式：

共模干扰抑制：双绞线由两根互相缠绕的导线组成，这种结构使得外部电磁干扰源会均等地耦合到两根信号线上。由于 RS-485 的差分信号传输原理，这些共模干扰会在接收器端被有效地取消，从而减少了噪声对数据传输的影响。

信号完整性：通过将两个信号线紧密缠绕，双绞线在传输过程中保持了信号的完整性，并减少了由电缆自身的电磁干扰引起的信号损失。
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4.2、工业 RS-485 电缆类型

工业用 RS-485 电缆主要有以下几种类型，每种类型都有其适用的场景和特性：

有保护套电缆：这种电缆在双绞线外层覆盖了一层金属屏蔽，能有效阻挡外部电磁干扰，提供额外的保护，适用于干扰严重的环境。

无保护套电缆：适用于干扰较少的环境，成本较低，但对外部干扰的抵抗力较弱。

双绞线：是最常见的 RS-485 电缆类型，通过双绞的设计提高了信号的抗干扰能力。

非屏蔽双绞线：通常用于低成本的应用场合，不具备额外的干扰屏蔽功能。

所有这些电缆通常符合 22-24 AWG 的线规，其特性阻抗为 120Ω，这与 RS-485 标准要求的特性阻抗一致。下图展示了典型的四线对电缆的横截面结构。

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4.3、电缆设计和应用

四线对电缆：这种电缆具有四根导线，通常用于支持两个全双工网络。全双工网络需要两个独立的信号对来实现同时发送和接收数据。

两对和单对电缆：适用于低成本的半双工系统设计。半双工系统只需要一对信号线来传输和接收数据，但不能同时进行。
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4.4、印制电路板布局
除了选择合适的电缆外，RS-485 系统的稳定性还依赖于印制电路板（PCB）的设计：

信号线布置：印制电路板上的信号线应该尽可能靠近并等长，以保持电气特性的一致性。这可以减少信号传输过程中的干扰和信号失真。

电气特性匹配：PCB 的布局应与网络的电气特性相匹配，以确保良好的信号传输性能和系统的整体稳定性。

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总线终端和存根长度
为了确保 RS-485 数据传输的稳定性和可靠性，必须合理地管理端接和存根。

5.1、端接的重要性
端接的目的是防止信号在电缆终端反射，这种反射会引起信号失真和数据传输错误。为避免这种情况，必须正确终端电缆，并确保端接电阻与传输电缆的特性阻抗匹配：

特性阻抗：RS-485 标准建议使用特性阻抗为 120Ω 的电缆。因此，通常在电缆干线的两端各加一个 120Ω 的终端电阻（如下图左半部分）。这种做法可以有效地吸收信号反射，提高数据传输的稳定性。

噪声环境中的应用：在噪声较大的环境中，为了进一步降低共模噪声，常常会使用两个 60Ω 电阻串联组成低通滤波器（如下图右半部分）。这种配置可以提供额外的共模噪声滤除能力。然而，需要确保两个 60Ω 电阻的匹配精度（建议使用精度为 1% 的电阻），否则，电阻值的偏差会导致滤波器的频率响应不一致，可能将共模噪声转化为差分噪声，从而降低接收器的抗干扰能力。

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5.2、存根管理
存根指的是从电缆干线分出的短电缆或导线，用于连接到其他节点。为了避免存根对信号完整性产生负面影响，应尽量缩短存根的长度。存根的长度应满足以下条件：

电气长度：存根的电气长度（即收发器与电缆干线之间的距离）应小于驱动器输出上升时间的 1/10。通过以下公式可以计算最大存根长度：

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下表列出了不同驱动器上升时间对应的最大存根长度。较长的上升时间允许使用更长的存根，同时也有助于减少驱动器产生的电磁干扰（EMI）。

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失效保护
失效保护是确保 RS-485 接收器在信号丢失情况下能够输出稳定和确定状态的关键设计要素。
6.1、信号丢失的原因
信号丢失（Loss of Signal, LOS）可能由以下三种情况引起：

开路：线缆中断或收发器从总线断开。这种情况会导致信号完全消失。

短路：差分对的两根导线因绝缘层失效而接触在一起，导致信号无法正常传输。

总线空闲：当所有总线驱动器均未处于活动状态时，总线变为空闲状态，没有信号输出。

在上述情况下，如果接收器缺少输入信号，传统的接收器可能会输出不稳定或随机的状态。现代接收器内部通常包含偏置电路，以应对这些失效情况。
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6.2、失效保护机制
为解决信号丢失的问题，现代接收器设计包含以下失效保护机制：

内部偏置电路：这些电路可以在信号丢失时生成一个确定的输出状态。内部偏置电路会对开路、短路和总线空闲情况提供保护，使接收器能够输出一个稳定的状态，即使输入信号为零。

噪声容限：虽然内部偏置电路能提供一定的保护，但最坏情况下的噪声容限可能仅为 10mV。在干扰环境中，额外的外部失效保护电路是必要的，以增加整体系统的噪声容限。

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6.3、外部失效保护电路设计
为了提高噪声容限，需要设计外部失效保护电路。外部失效保护电路通常由电阻分压器组成，其主要作用是提供足够的总线差分电压，以确保接收器能够生成确定的输出状态。

具体设计步骤如下：

计算总线电压：外部电阻分压器的设计需要考虑最小总线电压、接收器的输入阈值以及最大差分噪声。设计公式为：

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其中：

VAB = 总线差分电压

Vin = 最小总线电压（4.75V，通常取 5V 减 5%）

Z0 = 电缆特性阻抗（120Ω）

Vnoise = 测得的最大差分噪声

假设最小总线电压为 4.75V，接收器的输入阈值VAB 为 0.25V，电缆特性阻抗Z0 为 120Ω，则可以计算出外部电阻RB 的值。根据公式计算得到：

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在实际应用中，可以选择两个 523Ω 的电阻器串联，以实现所需的电阻值。这个配置可以如下图所示建立失效保护电路。

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使用两个 523Ω 的电阻器串联，插入到终端电阻 RT 中，可以建立有效的失效保护电路。这种设计可以确保即使在信号丢失的情况下，接收器也能输出稳定的状态，并提高整体系统的抗干扰能力。
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总线负载
驱动器的输出性能主要取决于它需要为负载提供的电流，因此在总线上增加收发器和失效保护电路会直接增加总负载电流的需求。为了合理估算总线所能承受的最大负载数，RS-485 标准引入了单位负载（UL）这个概念。单位负载表示约 12kΩ 的负载阻抗，而符合 RS-485 标准的驱动器必须能够驱动多达 32 个单位负载。

在实际应用中，随着技术的发展，现代收发器的设计逐渐优化，能够显著降低单位负载。例如，1/8 UL 的收发器相比传统的 1 UL 设计，负载阻抗更高，导致电流消耗更低，因此可以在总线上连接更多的收发器设备。理论上，这种优化设计可以使总线支持多达 256 个收发器连接。

尽管现代收发器减少了单位负载，但失效保护偏置电路仍然会对总线负载产生影响，尤其是在需要确保系统在信号丢失情况下仍能输出确定状态时。这种失效保护偏置可能贡献多达 20 个单位的总线负载，因此计算总线最大负载时，必须将这一因素考虑在内。

为了计算总线上可以连接的最大收发器数量 N，我们可以使用以下公式：

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举例来说，当使用 1/8-UL 的收发器时，最大连接数 N 计算如下：

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因此，若在 RS-485 总线上使用 1/8 UL 的收发器设计，最多可将 96 个器件连接到总线中。这一计算确保了即使在总线负载增加的情况下，系统仍然可以保持稳定的性能，不会因负载过大而导致通信故障或数据传输不稳定。

在实际工程设计中，虽然公式提供了理论上的最大连接数，但为了确保系统的可靠性和稳定性，工程师在设计时应考虑到可能的环境干扰、信号衰减以及其他系统因素。建议在接近理论最大值时，保留一定的裕量，以便应对不确定因素带来的潜在影响。
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数据速率与总线长度
在确定 RS-485 总线的最大传输长度时，数据速率、传输线损耗和信号抖动都是关键因素。在特定数据速率下，信号抖动超过波特周期的 10% 时，数据传输的可靠性会显著降低。为了直观展示这一关系，下图描绘了传统 RS-485 电缆在 10% 信号抖动情况下，不同电缆长度与数据速率之间的关系。

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A. 短电缆长度与高数据速率区域
图形的第 1 部分展示了短电缆长度下的高数据速率区域。在这一部分，传输线路的损耗几乎可以忽略不计，数据速率的限制主要取决于驱动器的上升时间。虽然 RS-485 标准建议的最高数据速率为 10Mbps，但随着现代接口电路的发展，当前的系统可以支持高达 40Mbps 的数据速率。此时，电缆长度对数据速率的影响最小。
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B. 从短电缆到长电缆的过渡区域
第 2 部分展示了数据线路从短到长的过渡区域。在这个区域，传输线路损耗开始显现，导致数据速率必须随电缆长度的增加而降低。根据经验法则，电缆长度（米）与数据速率（bps）的乘积应小于 10710^7107。例如，若数据速率为 1Mbps，则电缆长度应不超过 10公里。然而，这个经验法则较为保守，实际应用中使用的电缆性能可能允许更长的电缆长度，但仍需注意信号完整性和可靠性。
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C. 低频率下的信号衰减与电缆长度
图形的第 3 部分展示了较低频率范围内的情况。在此范围内，信号衰减主要由线路电阻决定，而非开关速度。随着电缆长度的增加，电缆的电阻接近于终端电阻的值，形成了一个电压分压器结构，导致信号衰减大约为 -6dB。对于 120Ω 阻抗的 22 AWG 非屏蔽双绞线 (UTP)，这一情况通常发生在电缆长度达到约 1200米时。
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最小节点间距
RS-485 总线是一种典型的分布式参数电路，其电气特性主要由沿物理介质（包括互连电缆和印刷电路板轨线）分布的电感和电容共同决定。这种分布式参数结构意味着在设计 RS-485 网络时，必须特别注意总线的电气负载和阻抗匹配，以确保信号完整性和可靠的数据传输。
当在 RS-485 总线中添加器件或互连电路时，会引入附加的电容，这些电容会降低总线的特性阻抗。随着总线阻抗的降低，总线的介质与负载部分之间的阻抗可能不匹配，导致信号在这些不匹配点处反射回源端。这种反射可能会引起驱动器输出信号的失真，从而影响接收器接收到的信号质量。

为了确保从驱动器输出的信号在到达接收器时仍能保持有效的电压电平，必须保持总线上的最小负载阻抗 Z′>0.4×Z0（其中Z0 为传输线的特性阻抗）。这一要求可以通过在总线节点之间保持最小距离 d 来实现。该最小距离 d 可以由以下公式计算：

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其中：

CL 是集总负载电容，即器件、连接器、印刷电路板轨线等引入的附加电容。

C′ 是每单位长度的介质电容（如电缆或 PCB 轨线的分布电容）。

上面方程式表明了器件间距 d 与分布式介质电容C′ 和集总负载电容 CL 的关系。下图则以图形方式展示了这种关系，直观地展示了不同电容值下，器件之间的最小间距要求。

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影响总线电容的主要因素如下：

收发器电容：5V 收发器的输入电容通常为 7pF。3V 收发器的输入电容则大约是 16pF，几乎是前者的两倍。

PCB 轨线电容：取决于电路板设计和结构，PCB 轨线每厘米通常会增加 0.5~0.8pF 的电容。

连接器和保护器件电容：连接器触点、电路保护器件（如ESD抑制器件）的电容范围可能变化较大，应根据实际设计进行评估。

介质分布电容：不同类型的电缆或背板的分布电容也有所不同。

低电容非屏蔽双绞线电缆的分布电容通常为 40pF/m，而背板的分布电容可能高达 70pF/m。

为了确保 RS-485 总线的稳定运行，必须尽可能减少集总负载电容的影响。具体来说，应注意以下几点：

缩短存根区域的电气距离：保持总线到收发器的连接尽可能短，减少信号反射的机会。

合理选择收发器：选择低电容的收发器，尤其是在需要长距离传输或高数据速率的应用中。

优化 PCB 设计：在 PCB 设计中，尽量缩短信号路径，并避免不必要的电容负载。

仔细选择电缆和连接器：在布线时，选择具有较低分布电容的电缆，并确保连接器和其他电气元件对总线电容的贡献尽可能小。

通过对这些因素的精确控制，可以有效减少总线阻抗不匹配所带来的信号反射问题，从而提高 RS-485 总线系统的信号完整性和数据传输可靠性。
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接地和隔离
在设计远程数据链路时，设计人员必须考虑接地电势差（GPD）可能带来的问题。这些电压差异会以共模干扰的形式叠加到传输线上，甚至可能导致数据传输故障。虽然总叠加信号可能仍在接收器输入的共模范围内，但依赖本地接地作为电流回路是相当危险的（如下图a 所示）。由于远程节点可能从不同电气设备获取电源，在维护或设备更改期间，接地电势差可能超出接收器的输入共模范围，导致原本正常运行的数据链路出现故障。

直接通过接地线连接远端地也并不可取（如下图b 所示），因为这可能引发大电流环路，进而将共模噪声引入信号线。为了有效隔离远端地，RS-485 标准建议在设备地与本地系统地之间插入电阻器（见下图c）。这种方法虽然可以减少环路电流，但由于仍然存在大电流环路，数据链路仍然容易受到沿环路路径产生的噪声的影响。因此，这种方式并不能完全保障数据链路的稳定性。

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要建立一个能够容忍数千伏接地电势差且适用于长距离传输的强健 RS-485 数据链路，最有效的方法是对信号和电源进行隔离（见下图）。在这种配置下，电源隔离器（如隔离的直流/直流转换器）和信号隔离器（如数字电容隔离器）可以防止远程系统地之间的电流流动，避免形成环路电流。

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下图则展示了多个隔离收发器的示例配置。在这其中，除一个收发器外，所有收发器都通过隔离设备接入总线。左侧的非隔离收发器为整个总线提供了单一的接地基准，这种配置在保持系统稳定的同时，确保了数据链路的可靠性。

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资源参考来源：TI RS-485 设计指南。

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