工业接口RS-485的设计应用指南

　　作为上世纪80年代早期批准的一个平衡传输标准，RS-485似乎已成为工业界永不过时的接口标准。关于它的文献有很多，但对于很少接触接口设计的系统工程师而言，如此海量的文献就有些让人吃不消了。

　　本文旨在讨论RS-485标准的主要内容，为初接触它的设计师提供入门指南。研究文末参考的一些附加应用笔记可进一步帮助设计师在最短的时间内完成一套可靠的数传设计。

　　RS-485标准的用途

　　RS-485只定义了用于平衡多点传输线的驱动器和接收器的电特性，因此很多更高层标准都将其作为物理层引用。

　　网络拓扑

　　总线节点以菊花链或总线拓扑方式联网。(见图1)也就是说，每个节点都通过很短的线头连接到主线缆。该接口总线通常设计为用于半双工传输，也就是说它只用一对信号线，驱动数据和接收数据只能在不同时刻出现在信号线上。

　　图1：RS-485总线结构(左)与半双工总线结构(右)。

　　这就需要通过方向控制信号(例如驱动器/接收器使能信号)控制节点操作的协议，以确保任何时刻总线上都只能有一个驱动器在活动，而必须避免多个驱动器同时访问总线导致总线竞争。

　　信号电平

　　RS-485驱动器必需在54的负载上提供最小1.5V的差分输出，而RS-485接收器则必需能检测到最小为200mv的差分输入(见图2)。这两个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此。而稳健性正是RS-485适用于噪声环境的长距离联网的主要原因。

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　　以增多器件与器件间互连的方式增大总线容抗会降低总线阻抗，并导致总线的传输媒介与负载部分的阻抗失配。输入信号到达这些失配点时会有一部分被反射回信号来源处，从而使驱动器输出信号失真。

　　要确保总线上任何一处输出驱动器送出的信号在第一次信号转换过程中，到达接收器时均达到有效输入电平，就要求总线节点之间只相隔最小间距，约可按下式计算：

　　其中CL为集总负载电容，C为传输媒介(线缆或PCB走线)单位长度的电容。上式给出的是最小器件间距与分布媒介和集总负载电阻的函数关系，图7将这种关系图形化了。

　　图7：最小节点间距与器件和传输媒介容抗的关系。

　　负载电容包括线路总线管脚的电容、连接器的接触电容、印制电路板的走线电容、保护器件的电容，当总线至收发器(收发器的线头)之间的电距离较短时还包括任何其他与干线相连的物理连接带来的电容。

　　接地与隔离

　　远程数据连接通常存在很大的地电位差(GDP)，该电位差到了发送器的输出上就成了共模噪声。如果这种噪声过大，就可能超过接收器的输入共模噪声容限，从而对器件造成损坏。因此，不建议依靠本地接地作为电流回流的可靠路径(见图8a)。也不建议直接用地线连接远程地，(见图8b)因为这可能会引发很大的地回路电流，耦合到数据线之中成为共模噪声。像RS-485建议的那样通过在接地通路上插入电阻来减小回路电流也只解决了一半问题。一个大接地回路的存在就使数据链路对回路中其他地方产生的噪声非常敏感。因此，通过这种方式仍无法建立一个可靠的数据链路(见图8c)。

　　图8：需要注意的设计缺陷：a) GPD过高； b) 回路电流过大； c)减小回路电流，但过大的接地环路仍会导致电路对感应噪声高度敏感。

　　建立可靠的长距离数据链路的最可靠的方法是通过绝缘隔离。采用该方法时，总线收发器的信号线和电源线与本地信号与电源是相互隔离的。

　　电源隔离器，例如隔离型DC/DC变换器、和数字容性隔离器等信号隔离器均能阻止电流在远程系统的接地之间流通，从而避免创造这样的电流回路。

　　图9给出的是多个隔离型收发器的详细连接。所有收发器中除了一个以外其他均通过隔离连接到总线，图中唯一一个未隔离的收发器为整个总线提供单一地参考。

　　图9：多个现场总线收发器位置与单一地参考的隔离。

　　本文小结

　　虽不能说是非常完整，但本文的目标是涵盖RS-485系统设计的所有主要问题。尽管关于这一主题有大量的技术文献，但本文旨在为新接触RS-485的系统设计师们提供一个详尽的设计指南。