串行數據通信的協議從RS-232到千兆位以太網，雖然每種協議都有特定的應用領域
，但任何情況下我們都必須考慮成本和物理層(PHY)性能。本文主要介紹RS-485協議及該協議所適合的應用。同時給出了根據電纜長度
、係統設計以及元件選擇來優化數據速率的方法。

 

 

什麼是RS-485? Profibus又是什麼? 與其它串行協議相比，它們的性能如何? 適用於哪些應用? 為了回答這些問題，我們對RS-485物理層(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能進行了總體比較[1] (本文中的RS表示ANSI EIA/TIA標準)。

 

RS-232是一個最初用於調製解調器、打印機及其它PC外設的通訊標準，提供單端20kbps的波特率，後來速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術指標包括：標稱±5V發送電平、±3V接收電平(間隔/符號)、2V共模抑製、2200pF最大電纜負載電容

、300Ω最大驅動器輸出電阻
、3kΩ最小接收器(負載)阻抗
、100英尺(典型值)最大電纜長度。RS-232隻用於點對點通信係統
，不能用於多點通信係統，所有RS-232係統都必須遵從這些限製。

 

RS-422是單向
、全雙工通信協議，適合嘈雜的工業環境。RS-422規範允許單個驅動器與多個接收器通信
，數據信號采用差分傳輸方式
，速率最高可達50Mbps。接收器共模範圍為±7V，驅動器輸出電阻最大值為100Ω
，接收器輸入阻抗可低至4kΩ。

 

 

RS-485是雙向
、半雙工通信協議
，允許多個驅動器和接收器掛接在總線上，其中每個驅動器都能夠脫離總線。該規範滿足所有RS-422的要求，而且比RS-422穩定性更強。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模範圍(-7V至+12V)。

 

接收器輸入靈敏度為±200mV，這就意味著若要識別符號或間隔狀態
，接收端電壓必須高於+200mV或低於-200mV。最小接收器輸入阻抗為12kΩ，驅動器輸出電壓為±1.5V (最小值)
、±5V (最大值)。

 

驅動器能夠驅動32個單位負載，即允許總線上並聯32個12kΩ的接收器。對於輸入阻抗更高的接收器，一條總線上允許連接的單位負載數也較高。RS-485接收器可隨意組合，連接至同一總線
，但要保證這些電路的實際並聯阻抗不高於32個單位負載(375Ω)。

 

采用典型的24AWG雙絞線時，驅動器負載阻抗的最大值為54Ω


，即32個單位負載並聯2個120Ω終端匹配電阻。RS-485已經成為POS、工業以及電信應用中的最佳選擇。較寬的共模範圍可實現長電纜、嘈雜環境(如工廠車間)下的數據傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線上掛接更多器件。

 

Profibus和Fieldbus[2]總線主要用於工業設備，是RS-485總線的擴展。用於工業環境的傳感器測量、激勵控製、數據采集/顯示以及過程控製係統與傳感器
、激勵源網絡之間的數據通信。 

 

注意：老式或現有的工業設備布線架構比較複雜，不可替換。

 

Profibus和Fieldbus是對係統的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協議的物理層接口標準。Profibus與Fieldbus存在細微的差異
，Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓
，54Ω的負載電阻；Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓，54Ω的負載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps，Fieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應用對擺率和電容容限要求比較嚴格。

 

 

 

 

在指定的傳輸距離下，下列因素限製了傳輸速率：

 

 

 

了解了以上相關的背景知識，接下來我們研究一個實際係統，如圖1所示。圖中所示電纜是RS-485係統最為常用的一種：EIA/TIA/ANSI 568 5類雙絞線。在長度為300英尺至900英尺的電纜上可以獲得的數據速率為1Mbps至35Mbps。

 

圖1. 測試裝置

 

係統設計人員經常從兩個不同廠商選擇驅動器和接收器，多數設計人員最關注的是RS-485驅動器的傳輸距離和速度。Maxim驅動器(這裏指MAX3469)與其它製造商的驅動器性能比較如圖2、圖3所示。

 

[3]

圖2. Maxim的MAX3469與其它RS-485驅動器件的眼圖對比[3]

 

圖3. MAX3469的眼圖

 

通過觀察驅動器的差分輸出信號的完整性，利用示波器確定80mV與-400mV之間的翻轉門限(由於接收器具有20mV至-200mV的輸入範圍和噪聲裕量，因此選取這一門限範圍)。然後，當脈衝(比特)開始“傳送”時，用眼圖確定失真度、噪聲以及碼間幹擾(ISI)。

 

ISI指標限製了比特率，以保證係統能夠在脈衝之間識別出傳輸數據。對圖1電路的測試結果表明翻轉門限與眼圖模板之間具有相關性。該眼圖模板存在50%的抖動
，按照National Semiconductor的應用筆記977[4]所介紹的方法進行測量。測量0V差分信號和±100mV差分信號下的抖動，得到圖4和圖5所示數據。

 

圖4. 在特定比特率、電纜長度下的抖動特性
，抖動是在±100mV差分信號下測量的

 

圖5. 在特定比特率
、電纜長度下的抖動指標

，抖動是在0V差分信號下測量的

 

對於一個點到點通信係統，從±100mV差分信號(圖4)或0V差分信號(圖5)下的測試結果可以看出比特率與電纜長度的關係。+100mV和-100mV門限能夠正確切換差分信號大於200mV的信號，因此，該門限值可確保接收器正確接收數據(圖5數據僅適用於可在0V差分輸入下切換的理想接收器)。

 

 

采用340英尺的5類電纜，圖2給出了39Mbps傳輸速率下的驅動器輸出眼圖，圖中，信號從“眼”的中間穿過—這種情況表明可能出現誤碼。然而
，在相同數據速率下，Maxim公司的器件不會出現這種情況(圖3)。Maxim的收發器具有對稱的輸出邊沿和較低的輸入電容，性能良好。

 

采用上述測試對兩款驅動器進行比較。當數據速率較高
、電纜較長時

，Maxim驅動器的性能更出色。圖5給出點對點網絡中Maxim器件的傳輸速率和距離的估計值。根據經驗，所產生的誤碼大致符合50%抖動極限的要求。

 

 

在工業領域，通常可接受的傳輸距離和數據速率的最大值分別為4000英尺和10Mbps，當然這兩個值不能同時滿足。然而，利用最新器件和精細的係統設計，可在較長的電纜下實現較高的數據吞吐率。

 

預加重[5]是一種改善數據速率與距離間關係的技術，可用於RS-485通信(圖6)。采用1700英尺電纜
，工作在1Mbps固定數據速率
，沒有預加重驅動器或均衡接收器的RS-485收發器通常具有10%的抖動。在相同速率下，增加驅動器預加重可使距離加倍，達到3400英尺
，而且不會提高抖動。同樣，距離一定時采用預加重能提高數據速率。速率為400kbps，電纜長度為4000英尺時，無預加重的驅動器通常具有10%的抖動。而采用預加重可使該距離下的傳輸速率提升至800kbps。

 

圖6. 數據速率與電纜長度的關係圖

 

另一種估算可靠傳輸的最大電纜長度的方法是：利用5類電纜製造商提供的幅度衰減與頻率的關係表。根據通用規則，電纜工作時最大允許的信號衰減是-6dBV。該數值結合廠家提供的衰減數據
，計算出給定頻率下的最大電纜長度。

 

 

RS-485收發器具有多種改善係統性能的特性：

 

 

圖7. 單發/單收網絡

 

圖8. 多機收發網絡

 

 

綜上所述，RS-485網絡可在噪聲環境下實現可靠的數據傳輸。設計係統時需要對數據速率
、電纜長度進行折衷考慮，能夠在幾百米長的電纜上實現高於50Mbps的數據速率，而不需使用任何中繼器。

 

 

1.Maxim應用筆記736："RS-485 (TIA/EIA-485-A) Differential Data Transmission System Basics"。

 

2.Maxim應用筆記1833："Using RS-485/RS-422 Transceivers in Fieldbus Networks"。

 

3.Texas Instruments Databook，"Data Transmission Circuits, Vol. 1," 1995/1996, 4-9至4-24, 4-37至4-48。

 

4.National Semiconductor應用筆記977：LVDS Signal Quality: Jitter Measurements Using Eye Patterns Test Report #1。

 

5.更多詳細內容，請參見Maxim的應用筆記643："Pre-emphasis Improves RS-485 Communications"。

 

6.請參見Maxim的應用筆記763："Guidelines for Proper Wiring of an RS-485 (TIA/EIA-485-A) Network"。

 

本文來源於Maxim。