RS-485總線的理論與運(yùn)用

RS-485總線的理論與運(yùn)用

 

     本文介紹了RS-485總線的理論，RS-485總線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信過程中存在的問題 ，以及RS-485的實(shí)際工程中的應(yīng)用。

　   隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)日益廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)往往由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，需要解決多站、遠(yuǎn)距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對(duì)雙絞線就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用

     在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：

· 接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ

· 驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓

· 輸入端的電容≤50pF

· 在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）

· 接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)"0"；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)"1"）

因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，RS-485的自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但是在實(shí)際工程中RS-485總線運(yùn)用仍然存在著很多問題，影響了工程的質(zhì)量，為工程施工帶來了很多的不方便。

　  信號(hào)在傳輸過程中如果遇到阻抗突變，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就是盡量保持傳輸線阻抗連續(xù)，實(shí)際工程中在電纜線的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻的原理就是為了減小信號(hào)反射。

　 從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就能有效的減少信號(hào)反射。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。這種情況是無法改變的，只有盡量去避免它。

     僅僅用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來，而不對(duì)RS-485通信鏈路的信號(hào)接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)并不需要對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測(cè)信號(hào)系統(tǒng)，只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電壓超出此范圍，就會(huì)影響通信的可靠直至損壞接口。如圖1所示，當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。

       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。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(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。在使用RS485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)，則電纜長度被限制在1200M。實(shí)際上，在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長度。當(dāng)使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。

3方案設(shè)計(jì)

   以下以一個(gè)例子來說明RS-485的應(yīng)用：

　　一個(gè)大學(xué)食堂有三層，有12臺(tái)POS機(jī)，每層樓有4臺(tái)POS機(jī)，他們是RS-485的接口，控制POS機(jī)的電腦接RS-232接口,傳統(tǒng)的解決方案是：

 采用這種老式布線結(jié)構(gòu)存在以下幾種缺陷。

 1>、RS-485總線受差分信號(hào)傳輸特點(diǎn)的限制總線長度一般在1200米左右，采用這種老式布線結(jié)構(gòu)，可布線覆蓋面積十分有限（一般為幾百平方米）。有時(shí)為了拓寬傳輸距離不得不采用中繼器。同時(shí)亦加大了布線過程中出現(xiàn)問題的可能性。

 2>、一般大型考勤門禁系統(tǒng)都裝有為數(shù)眾多的門禁控制器，采用這種老式布線結(jié)構(gòu)，所有門禁控制器共享同一根RS-485總線。當(dāng)任一控制器RS-485端口短路，都會(huì)影響整個(gè)門禁系統(tǒng)的正常工作。在眾多的門禁控制器中查找故障所在，不僅加大了工作量，也增加了維護(hù)成本。

 3>、由于RS-485總線布線比較復(fù)雜，在考勤門禁系統(tǒng)中絕大部分工程費(fèi)用和時(shí)間都浪費(fèi)在布線環(huán)節(jié)。而RS-485總線布線的復(fù)雜程度與總線的長短和設(shè)備的掛接數(shù)目有很大關(guān)系。特別在大型系統(tǒng)中顯得由為突出。采用這種老式布線結(jié)構(gòu)無疑加大了布線的難度。

 4>、由于地理環(huán)境的原因，在相距一定距離的設(shè)備之間總是存在地電位不平衡的問題。有時(shí)即使距離很近問題依然存在。這種環(huán)境造成的因素，在老式布線結(jié)構(gòu)中很難綜合解決。甚至造成整個(gè)系統(tǒng)無法啟動(dòng)。雖然通過處理地電位可暫時(shí)解決部分問題，但時(shí)隔不久同樣問題又會(huì)再次出現(xiàn)。

　針對(duì)上面出現(xiàn)的一些缺陷，兆越公司開發(fā)出一款新產(chǎn)品，它采用獨(dú)特的等位分差隔離技術(shù)和高效的總線分割集中技術(shù)能有效解決工程布線中常見的地電位差異、阻抗匹配及雷擊問題。用戶可以輕易改善RS-485/RS-422總線結(jié)構(gòu)，分割網(wǎng)段，提高通信可靠性。當(dāng)雷擊或者設(shè)備故障產(chǎn)生時(shí)，出現(xiàn)問題的網(wǎng)段將被隔離，以確保其他網(wǎng)段的正常工作。重新的解決方案如下：

 

　　應(yīng)用此方案可以有效的解決采用第一種方案存在的缺陷，它有如下幾點(diǎn)好處：

 1>、采用星型結(jié)構(gòu)連接RS-485總線，在有效利用接口的情況下布線覆蓋面積大大提高（一般為幾平方千米）。

 2>、有八個(gè)下位機(jī)端口，且每個(gè)端口都具有短路保護(hù)功能，并能工作在關(guān)斷模式。對(duì)大型考勤門禁系統(tǒng)，通過分?jǐn)傞T禁控制器到八個(gè)端口不僅可以減少單個(gè)RS-485總線的負(fù)荷，同時(shí)有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)任一控制器RS-485端口短路，只會(huì)影響其所在RS-485總線系統(tǒng)，不會(huì)影響其他接口連接的RS-485系統(tǒng)的正常工作。

 3>、可以使得RS-485系統(tǒng)布線過程變的簡(jiǎn)單和快潔，從而有效的減少了工程的費(fèi)用和時(shí)間。

 4>、各端口間存在3000V隔離。對(duì)于由環(huán)境問題帶來的布線問題，只需把問題顯著的區(qū)域用單獨(dú)端口進(jìn)行連接集中處理，將會(huì)有效的解決地電位帶來的布線問題。

　  4．1 很多人往往都誤認(rèn)為RS-422串行接口是RS-485串行接口的全雙工版本，實(shí)際上，它們?cè)陔娖魈匦陨洗嬖谥簧俨町悾材ｋ妷悍秶徒邮掌鬏斎腚娮璨煌沟迷搩蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。RS-485串行接口的驅(qū)動(dòng)器可用于RS-422串行接口的應(yīng)用中，因?yàn)镽S-485串行接口滿足所有的RS-422串行接口性能參數(shù)，反之則不能成立。對(duì)于RS-485串行接口的驅(qū)動(dòng)器，共模電壓的輸出范圍是-7V和+12V之間；對(duì)于RS-422串行接口的驅(qū)動(dòng)器，該項(xiàng)性能指標(biāo)僅有±7V。RS-422串行接口接收器的最小輸入電阻是4KΩ；而RS-485串行接口接收器的最小輸入電阻則是12KΩ。

　　4．2 RS-485總線在實(shí)際工程中總是出現(xiàn)一些接線的問題，注意，在接傳輸線時(shí)一定要用同樣的雙絞線或者同樣的電纜，有些人一段使用雙絞線，由于雙絞線長度不夠或者在中間接上一段電話線或者是其他的線，這樣阻抗就不連續(xù)，產(chǎn)生很大的反射信號(hào)，通信的是不能正常進(jìn)行的。

　　RS-485總線，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護(hù)等特性，但還需要考慮合理的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)布局、連續(xù)的信號(hào)通道、周全的保護(hù)措施等，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)有總體規(guī)劃。隨著光纖通信和以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，RS-485總線的數(shù)據(jù)傳輸距離會(huì)更遠(yuǎn)。