RS-485串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議

串行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議從RS-232到千兆位以太網(wǎng)，雖然每種協(xié)議都有特定的應(yīng)用領(lǐng)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(xié)議及該協(xié)議所適合的應(yīng)用。同時(shí)給出了根據(jù)電纜長度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及元件選擇來優(yōu)化數(shù)據(jù)速率的方法。

傳輸協(xié)議

什么是RS-485？Profibus又是什么？與其它串行協(xié)議相比，它們的性能如何？適用于哪些應(yīng)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(jìn)行了總體比較[1] (本文中的RS表示ANSIEIA/TIA標(biāo)準(zhǔn))。RS-232是一個(gè)最初用于調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)的通訊標(biāo)準(zhǔn)，提供單端20kbps的波特，后來速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術(shù)指標(biāo)包括：標(biāo)稱±5V發(fā)送電平、±3V接收電平(間隔/符號)、2V共模抑制、2200pF最大電纜負(fù)載電容、300最大驅(qū)動(dòng)器輸出電阻、3k最小接收器(負(fù)載)阻抗、100英尺(典型值)最大電纜長度。RS-232只用于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)，不能用于多點(diǎn)通信系統(tǒng)，所有RS-232系統(tǒng)都必須遵從這些限制。

RS-422是單向、全雙工通信協(xié)議，適合嘈雜的工業(yè)環(huán)境。RS-422規(guī)范允許單個(gè)驅(qū)動(dòng)器與多個(gè)接收器通信，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，速率最高可達(dá)50Mbps。接收器共模范圍為±7V，驅(qū)動(dòng)器輸出電阻最大值為100，接收器輸入阻抗可低至4k。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)

RS-485是雙向、半雙工通信協(xié)議，允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器掛接在總線上，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都能夠脫離總線。該規(guī)范滿足所有RS-422的要求，而且比RS-422穩(wěn)定性更強(qiáng)。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-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(tài)，接收端電壓必須高于+200mV或低于-200mV。最小接收器輸入阻抗為12k,驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為±1.5V (最小值)、±5V (最大值

驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載，即允許總線上并聯(lián)32個(gè)12k的接收器。對于輸入阻抗更高的接收器，一條總線上允許連接的單位負(fù)載數(shù)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(shí)際并聯(lián)阻抗不高于32個(gè)單位負(fù)載(375)。

采用典型的24AWG雙絞線時(shí)，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗的最大值為54，即32個(gè)單位負(fù)載并聯(lián)2個(gè)120終端匹配電阻。RS-485已經(jīng)成為POS、工業(yè)以及電信應(yīng)用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實(shí)現(xiàn)長電纜、嘈雜環(huán)境(如工廠車間)下的數(shù)據(jù)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]總線主要用于工業(yè)設(shè)備，是RS-485總線的擴(kuò)展。用于工業(yè)環(huán)境的傳感器測量、激勵(lì)控制、數(shù)據(jù)采集/顯示以及過程控制系統(tǒng)與傳感器、激勵(lì)源網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。

注意：老式或現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備布線架構(gòu)比較復(fù)雜，不可替換。

Profibus和Fieldbus是對系統(tǒng)的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協(xié)議的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。Profibus與Fieldbus存在細(xì)微的差異，Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓，54的負(fù)載電阻；Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓，54的負(fù)載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps，F(xiàn)ieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應(yīng)用對擺率和電容容限要求比較嚴(yán)格。

最適合的應(yīng)用領(lǐng)域？

RS-232：用于與調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)之間的通信。最大電纜長度為100英尺(典型值)。

RS-422：適用于單主機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制等。

RS-485：適用于多主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器工業(yè)環(huán)境。其典型應(yīng)用與RS-422相似，包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制。

哪些因素限制了RS-485的數(shù)據(jù)速率？

在指定的傳輸距離下，下列因素限制了傳輸速率：

電纜長度：在特定頻率下，信號強(qiáng)度會隨著電纜長度而衰減。

電纜架構(gòu)：5類24AWG雙絞線是RS-485系統(tǒng)最常用的電纜，屏蔽電纜可大大增強(qiáng)噪聲抑制能力，提高了一定距離下的數(shù)據(jù)傳輸速率。

電纜特性阻抗：分布電容和分布電感會降低信號的邊沿速度，從而降低噪聲裕量、補(bǔ)償“眼圖模板”特性。分布電阻直接導(dǎo)致信號電平的衰減。

驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗：阻抗過高會限制驅(qū)動(dòng)能力。

接收器輸入阻抗：阻抗過低會限制與驅(qū)動(dòng)器通信的接收器數(shù)量。

終端匹配：長電纜可看作傳輸線。電纜上應(yīng)接阻值等于電纜特性阻抗的終端匹配電阻，可以降低信號反射，并提高數(shù)據(jù)速率。

噪聲裕量：越大越好。

驅(qū)動(dòng)器擺率：降低邊沿速率(降低信號擺率)允許采用較長的電纜進(jìn)行通信。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

了解了以上相關(guān)的背景知識，接下來我們研究一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，如圖1所示。圖中所示電纜是RS-485系統(tǒng)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(shù)據(jù)速率為1Mbps至35Mbps。