摘 要：闡述了RS-485總線規(guī)范，描述了影響RS-485總線通信速率和通信可靠性的三個因素，同時提出了相應(yīng)的解決方法并討論了總線負(fù)載能力和傳輸距離之間的具體關(guān)系。

當(dāng)前自動控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場總線CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線進行總結(jié)和研究。
一、EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)
在自動化領(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、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)動總線，具體規(guī)格要求：
接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓
輸入端的電容≤50pF
在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動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“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號“1”）
因為RS-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點（32個）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)。
二、影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個因素
1、在通信電纜中的信號反射
在通信過程中，有兩種信號因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。
阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射，如圖1所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻，如圖2所示。


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，就再也不會出現(xiàn)信號反射現(xiàn)象。但是，在實現(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反射還會存在。
引起信號反射的另個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時，整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。
信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導(dǎo)致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。
在信號分析，衡量反射信號強度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計算公式如式（1）。
RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）
式中：Vref—反射信號的電壓大??；Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。
具體的測量方法如圖3所示。例如，由實驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時，它的反射衰減因子為：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB


要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應(yīng)用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細(xì)介紹。
2、在通訊電纜中的信號衰減
第二個影響信號傳輸?shù)囊蛩厥切盘栐陔娎|的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖4所示。


電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標(biāo)準(zhǔn)型二芯電感（西門子為DP總線選用的標(biāo)準(zhǔn)電纜），在不同波特率時的衰減系數(shù)如表1所示。
表1 電纜的衰減系數(shù)
通訊波特率 16MHz 4MHz 38.4kHz 9.6kHz
衰減體系數(shù)（1km) ≤42dB ≤22dB ≤4dB ≤2.5dB
3、在通訊電纜中的純阻負(fù)載
影響通訊性能的第三個因素是純阻性負(fù)載（也叫直流負(fù)載）的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。



在敘述EIA RS-485規(guī)范時曾提到過RS-485驅(qū)動器在帶了32個節(jié)點，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個接收器的輸入電阻為12kΩ，整個網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖5所示。按這樣計算，RS-485驅(qū)動器的負(fù)載能力為：
RL=32個輸入電阻并聯(lián)||2個終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω
現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動能力和負(fù)載的關(guān)系計算，一個驅(qū)動器可帶節(jié)點的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個。
在通訊波特率比較高的時候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖6。它的作用是在線路進入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖7。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會由于這些信號的到來而產(chǎn)生誤動作。