提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施

建議性標(biāo)準(zhǔn)RS-485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法比擬的。正因?yàn)榇耍S多不同領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。例如汽車電子、電信設(shè)備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制、儀器儀表等等。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛接受的另外一個(gè)原因是它的通用性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

盡管RS-485標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛接受，但是對(duì)于它在實(shí)際應(yīng)用中的一些具體問(wèn)題并沒(méi)有得到深入廣泛的認(rèn)識(shí)，甚至存在著種種誤區(qū)，以至于影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文在回顧RS-485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用中常被忽視的問(wèn)題。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)回顧

RS-485標(biāo)準(zhǔn)最初由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1983年制訂并發(fā)布，后由TIA-通訊工業(yè)協(xié)會(huì)修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過(guò)工程師還是習(xí)慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來(lái)，后者是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kbps時(shí)），并允許在一條平衡線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，隨后又為其增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，這就是后來(lái)的EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485是一個(gè)電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺(tái)。RS-485接口的主要特點(diǎn)如下：

平衡偉輸；

多點(diǎn)通信；

驅(qū)動(dòng)器輸出電壓（帶載）：≥｜1.5V｜；

接收器輸入門限：±200mV；

-7V至+12V總線共模范圍；

最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；

最大總線負(fù)載：32個(gè)單位負(fù)載（UL）；

最大傳輸速率：10Mbps；

最大電纜長(zhǎng)度：4000英尺。

網(wǎng)絡(luò)配置

圖1:幾種錯(cuò)誤的網(wǎng)絡(luò)連接方式及正確的方式

RS-485支持半雙工或全雙工模式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。最好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。圖1所示為實(shí)際應(yīng)用中常見的一些錯(cuò)誤連接方式（a，c，e）和正確的連接方式（b，d，f）。a，c，e三種不恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)連接盡管在某些情況下（短距離、低速率）仍然可以正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，造成信號(hào)質(zhì)量下降。除此之外還應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。例如，總線的不同區(qū)段采用不同電纜、某一段總線上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝、或者是有過(guò)長(zhǎng)分支線引出總線時(shí)都會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)?？傊?，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。

有關(guān)總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有做出規(guī)定，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載（UL）。每單位負(fù)載的最大輸入電流為1.0mA/-0.8mA，相當(dāng)于約12kΩ。為了擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)，器件生產(chǎn)廠商增大收發(fā)器輸入電阻。例如MAX487，MAX1487的輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節(jié)點(diǎn)數(shù)就可增加至128個(gè)，96kΩ輸入電阻的MAX1483允許節(jié)點(diǎn)數(shù)可到256個(gè)。

總線匹配

是否對(duì)RS-485總線進(jìn)行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗(yàn)性的準(zhǔn)則可以用來(lái)判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用MAX483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。

圖2：幾種終端匹配方案

當(dāng)考慮終端匹配時(shí)，有多種匹配方案可以選擇。最簡(jiǎn)單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻（圖2a）。大多數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配（圖2b）。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。除上述兩種外，還有一種采用二極管的匹配方案（圖2c）。這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的匹配，但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。