RS485通信接口設(shè)計(jì)技巧

1983年，電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）批準(zhǔn)了一項(xiàng)新的平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為RS-485。作為一種強(qiáng)大而靈活的標(biāo)準(zhǔn)，RS-485迅速獲得了廣泛的認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品領(lǐng)域，成為工業(yè)接口的主流規(guī)范。

RS-485的優(yōu)勢(shì)在于其適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力高，且能夠在長(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

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標(biāo)準(zhǔn)和特性

RS-485 是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了平衡多點(diǎn)傳輸線(xiàn)上的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性。與涵蓋功能、機(jī)械和電氣規(guī)格的完整接口標(biāo)準(zhǔn)不同，RS-485 僅專(zhuān)注于電氣方面的定義。這種特性使其在多種應(yīng)用中具有高度的適應(yīng)性和靈活性。

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)因其電氣特性被廣泛應(yīng)用于多個(gè)更高級(jí)別的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。例如，在中國(guó)，電能表通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) DL/T645 明確將 RS-485 作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。這表明 RS-485 在確保關(guān)鍵應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面具有重要作用，如能源管理和計(jì)量系統(tǒng)。

RS-485 的主要特性：

• 平衡接口：RS-485 使用平衡的差分信號(hào)傳輸方式，這種方式能夠有效抵御噪聲和干擾。在工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾（EMI）可能會(huì)嚴(yán)重影響通信的可靠性，因此平衡接口提供了必要的抗干擾能力。

• 支持多點(diǎn)配置：RS-485 允許在同一總線(xiàn)上連接多個(gè)設(shè)備。一個(gè)總線(xiàn)最多可以支持 32 個(gè)單位負(fù)載（每個(gè)設(shè)備的負(fù)載被稱(chēng)為一個(gè)單位負(fù)載），使其在需要多節(jié)點(diǎn)通信的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

• 單一電源供電：RS-485 系統(tǒng)可以使用單一的 5V 電源，這簡(jiǎn)化了電源管理并降低了系統(tǒng)成本。

• 廣泛的共模電壓范圍：RS-485 支持 –7V 至 +12V 的總線(xiàn)共模電壓范圍。

  這種寬廣的電壓范圍使得 RS-485 能在各種電氣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

• 數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度：RS-485 的最大數(shù)據(jù)速率為 10Mbps（當(dāng)電纜長(zhǎng)度為 40 英尺時(shí)），而在較低速率下，最大電纜長(zhǎng)度可以達(dá)到 4000 英尺（在速率為 100kbps 時(shí)）。這使得 RS-485 適用于需要長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

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網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用菊花鏈（Daisy Chain）來(lái)連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

菊花鏈拓?fù)洌―aisy Chain）是 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的連接方式。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點(diǎn)（驅(qū)動(dòng)器、接收器和收發(fā)器）通過(guò)短網(wǎng)存根（Stub）連接到一條主干線(xiàn)。主干線(xiàn)在拓?fù)渲衅鸬匠休d信號(hào)的作用，而存根則連接每個(gè)具體的設(shè)備。

• 主干線(xiàn)：作為信號(hào)傳輸?shù)闹饕ǖ溃械脑O(shè)備都通過(guò)短網(wǎng)存根連接到主干線(xiàn)。

• 網(wǎng)存根：每個(gè)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)存根與主干線(xiàn)連接。為了保持信號(hào)的完整性，存根的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于它的簡(jiǎn)單性和成本效益，適用于大多數(shù)低到中等規(guī)模的應(yīng)用。

RS-485 支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：全雙工（Full-Duplex）和半雙工（Half-Duplex）。

全雙工模式：

• 信號(hào)對(duì)：需要兩個(gè)信號(hào)對(duì)（共四根電線(xiàn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信，即一個(gè)信號(hào)對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)信號(hào)對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。

• 全雙工收發(fā)器：每個(gè)全雙工收發(fā)器具有獨(dú)立的發(fā)送和接收線(xiàn)路，允許節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提高通信效率。

半雙工模式：

• 信號(hào)對(duì)：僅使用一對(duì)信號(hào)線(xiàn)（共兩根電線(xiàn)）。在半雙工模式下，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的，即一個(gè)信號(hào)對(duì)在某個(gè)時(shí)刻用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一時(shí)刻用于接收數(shù)據(jù)。

• 方向控制：半雙工系統(tǒng)需要使用方向控制信號(hào)來(lái)切換數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收狀態(tài)。這通常由驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào)控制，確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，以避免信號(hào)沖突。

在 RS-485 網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備共享同一條總線(xiàn)，因此在任何時(shí)刻，必須確保只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器在工作。如果多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致總線(xiàn)爭(zhēng)用（Bus Contention），這會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突和通信錯(cuò)誤。

• 軟件控制：避免總線(xiàn)爭(zhēng)用的關(guān)鍵在于精確的控制策略。這通常通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)邏輯判斷和控制信號(hào)，確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于活動(dòng)狀態(tài)。

• 硬件保護(hù)：有時(shí)還需要硬件保護(hù)措施，例如使用終端電阻來(lái)減少信號(hào)反射，并提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

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信號(hào)電平

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是其電氣性能，特別是驅(qū)動(dòng)器和接收器的差分信號(hào)特性。

RS-485 信號(hào)電平特性：

3.1、驅(qū)動(dòng)器的差分輸出

符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器在 54Ω 負(fù)載上能提供不小于 1.5V 的差分輸出電壓。這意味著驅(qū)動(dòng)器能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào)，以確保信號(hào)在電纜和連接器中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后仍能保持較好的質(zhì)量。

• 負(fù)載阻抗：RS-485 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)考慮了電纜的特性阻抗，通常為 120Ω。為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜筒季€(xiàn)需求，標(biāo)準(zhǔn)允許在 54Ω 負(fù)載下仍能保持足夠的差分電壓。

• 差分電壓：1.5V 的差分電壓提供了一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度，即使在較長(zhǎng)的傳輸距離和負(fù)載條件下也能有效地傳輸數(shù)據(jù)。高于 1.5V 的差分輸出可以有效應(yīng)對(duì)信號(hào)衰減和噪聲干擾。

3.2、接收器的差分輸入靈敏度

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求接收器能夠檢測(cè)到低至 200mV 的差分輸入電壓。這種高靈敏度使得接收器能夠在信號(hào)嚴(yán)重衰減或噪聲干擾的情況下，仍能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。

• 檢測(cè)閾值：200mV 的差分輸入靈敏度意味著接收器可以處理很小的信號(hào)電平變化，從而提高了在長(zhǎng)距離傳輸中的數(shù)據(jù)接收可靠性。

• 信號(hào)衰減：在長(zhǎng)距離傳輸和惡劣環(huán)境中，信號(hào)可能會(huì)遭受顯著的衰減和干擾。接收器的低閾值設(shè)計(jì)確保即使信號(hào)衰減嚴(yán)重，也能可靠地恢復(fù)數(shù)據(jù)。

3.3、穩(wěn)健性和應(yīng)用

RS-485 的這些電氣特性使其非常適合在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)距離聯(lián)網(wǎng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 抗干擾能力：高于 1.5V 的差分輸出電壓和低至 200mV 的輸入靈敏度，使 RS-485 網(wǎng)絡(luò)能有效抵御外部電磁干擾（EMI）和噪聲。差分信號(hào)傳輸?shù)奶匦阅軌蛴行б种乒材Ｔ肼?，從而提高通信的魯棒性?/p>

• 長(zhǎng)距離傳輸：RS-485 能夠在長(zhǎng)達(dá) 4000 英尺（約 1200 米）的電纜長(zhǎng)度下保持較好的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。

• 高可靠性：無(wú)論是在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備還是消費(fèi)電子產(chǎn)品中，RS-485 的這些特性都保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，能夠在?fù)雜的環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

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電纜類(lèi)型

在 RS-485 應(yīng)用中，雙絞線(xiàn)是傳輸差分信號(hào)的理想選擇。

4.1、雙絞線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)

雙絞線(xiàn)傳輸差分信號(hào)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這主要?dú)w因于其結(jié)構(gòu)和電磁干擾（EMI）的處理方式：

• 共模干擾抑制：雙絞線(xiàn)由兩根互相纏繞的導(dǎo)線(xiàn)組成，這種結(jié)構(gòu)使得外部電磁干擾源會(huì)均等地耦合到兩根信號(hào)線(xiàn)上。由于 RS-485 的差分信號(hào)傳輸原理，這些共模干擾會(huì)在接收器端被有效地取消，從而減少了噪聲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

• 信號(hào)完整性：通過(guò)將兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)緊密纏繞，雙絞線(xiàn)在傳輸過(guò)程中保持了信號(hào)的完整性，并減少了由電纜自身的電磁干擾引起的信號(hào)損失。

4.2、工業(yè) RS-485 電纜類(lèi)型

工業(yè)用 RS-485 電纜主要有以下幾種類(lèi)型，每種類(lèi)型都有其適用的場(chǎng)景和特性：

• 有保護(hù)套電纜：這種電纜在雙絞線(xiàn)外層覆蓋了一層金屬屏蔽，能有效阻擋外部電磁干擾，提供額外的保護(hù)，適用于干擾嚴(yán)重的環(huán)境。

• 無(wú)保護(hù)套電纜：適用于干擾較少的環(huán)境，成本較低，但對(duì)外部干擾的抵抗力較弱。

• 雙絞線(xiàn)：是最常見(jiàn)的 RS-485 電纜類(lèi)型，通過(guò)雙絞的設(shè)計(jì)提高了信號(hào)的抗干擾能力。

• 非屏蔽雙絞線(xiàn)：通常用于低成本的應(yīng)用場(chǎng)合，不具備額外的干擾屏蔽功能。

所有這些電纜通常符合 22-24 AWG 的線(xiàn)規(guī)，其特性阻抗為 120Ω，這與 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)要求的特性阻抗一致。下圖展示了典型的四線(xiàn)對(duì)電纜的橫截面結(jié)構(gòu)。

4.3、電纜設(shè)計(jì)和應(yīng)用

• 四線(xiàn)對(duì)電纜：這種電纜具有四根導(dǎo)線(xiàn)，通常用于支持兩個(gè)全雙工網(wǎng)絡(luò)。全雙工網(wǎng)絡(luò)需要兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• 兩對(duì)和單對(duì)電纜：適用于低成本的半雙工系統(tǒng)設(shè)計(jì)。半雙工系統(tǒng)只需要一對(duì)信號(hào)線(xiàn)來(lái)傳輸和接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行。

4.4、印制電路板布局

除了選擇合適的電纜外，RS-485 系統(tǒng)的穩(wěn)定性還依賴(lài)于印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)：

• 信號(hào)線(xiàn)布置：印制電路板上的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)該盡可能靠近并等長(zhǎng)，以保持電氣特性的一致性。這可以減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾和信號(hào)失真。

• 電氣特性匹配：PCB 的布局應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)的電氣特性相匹配，以確保良好的信號(hào)傳輸性能和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

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總線(xiàn)終端和存根長(zhǎng)度

為了確保 RS-485 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，必須合理地管理端接和存根。

5.1、端接的重要性

端接的目的是防止信號(hào)在電纜終端反射，這種反射會(huì)引起信號(hào)失真和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。為避免這種情況，必須正確終端電纜，并確保端接電阻與傳輸電纜的特性阻抗匹配：

• 特性阻抗：RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議使用特性阻抗為 120Ω 的電纜。因此，通常在電纜干線(xiàn)的兩端各加一個(gè) 120Ω 的終端電阻（如下圖左半部分）。這種做法可以有效地吸收信號(hào)反射，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

• 噪聲環(huán)境中的應(yīng)用：在噪聲較大的環(huán)境中，為了進(jìn)一步降低共模噪聲，常常會(huì)使用兩個(gè) 60Ω 電阻串聯(lián)組成低通濾波器（如下圖右半部分）。這種配置可以提供額外的共模噪聲濾除能力。然而，需要確保兩個(gè) 60Ω 電阻的匹配精度（建議使用精度為 1% 的電阻），否則，電阻值的偏差會(huì)導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)不一致，可能將共模噪聲轉(zhuǎn)化為差分噪聲，從而降低接收器的抗干擾能力。

5.2、存根管理

存根指的是從電纜干線(xiàn)分出的短電纜或?qū)Ь€(xiàn)，用于連接到其他節(jié)點(diǎn)。為了避免存根對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響，應(yīng)盡量縮短存根的長(zhǎng)度。存根的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

• 電氣長(zhǎng)度：存根的電氣長(zhǎng)度（即收發(fā)器與電纜干線(xiàn)之間的距離）應(yīng)小于驅(qū)動(dòng)器輸出上升時(shí)間的 1/10。通過(guò)以下公式可以計(jì)算最大存根長(zhǎng)度：

下表列出了不同驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的最大存根長(zhǎng)度。較長(zhǎng)的上升時(shí)間允許使用更長(zhǎng)的存根，同時(shí)也有助于減少驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。

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失效保護(hù)

失效保護(hù)是確保 RS-485 接收器在信號(hào)丟失情況下能夠輸出穩(wěn)定和確定狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素。

6.1、信號(hào)丟失的原因

信號(hào)丟失（Loss of Signal, LOS）可能由以下三種情況引起：

• 開(kāi)路：線(xiàn)纜中斷或收發(fā)器從總線(xiàn)斷開(kāi)。這種情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完全消失。

• 短路：差分對(duì)的兩根導(dǎo)線(xiàn)因絕緣層失效而接觸在一起，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常傳輸。

• 總線(xiàn)空閑：當(dāng)所有總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器均未處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，總線(xiàn)變?yōu)榭臻e狀態(tài)，沒(méi)有信號(hào)輸出。

在上述情況下，如果接收器缺少輸入信號(hào)，傳統(tǒng)的接收器可能會(huì)輸出不穩(wěn)定或隨機(jī)的狀態(tài)?，F(xiàn)代接收器內(nèi)部通常包含偏置電路，以應(yīng)對(duì)這些失效情況。

6.2、失效保護(hù)機(jī)制

為解決信號(hào)丟失的問(wèn)題，現(xiàn)代接收器設(shè)計(jì)包含以下失效保護(hù)機(jī)制：

• 內(nèi)部偏置電路：這些電路可以在信號(hào)丟失時(shí)生成一個(gè)確定的輸出狀態(tài)。內(nèi)部偏置電路會(huì)對(duì)開(kāi)路、短路和總線(xiàn)空閑情況提供保護(hù)，使接收器能夠輸出一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即使輸入信號(hào)為零。

• 噪聲容限：雖然內(nèi)部偏置電路能提供一定的保護(hù)，但最壞情況下的噪聲容限可能僅為 10mV。在干擾環(huán)境中，額外的外部失效保護(hù)電路是必要的，以增加整體系統(tǒng)的噪聲容限。

6.3、外部失效保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了提高噪聲容限，需要設(shè)計(jì)外部失效保護(hù)電路。外部失效保護(hù)電路通常由電阻分壓器組成，其主要作用是提供足夠的總線(xiàn)差分電壓，以確保接收器能夠生成確定的輸出狀態(tài)。

具體設(shè)計(jì)步驟如下：

• 計(jì)算總線(xiàn)電壓：外部電阻分壓器的設(shè)計(jì)需要考慮最小總線(xiàn)電壓、接收器的輸入閾值以及最大差分噪聲。設(shè)計(jì)公式為：

其中：

• VAB = 總線(xiàn)差分電壓

• Vin = 最小總線(xiàn)電壓（4.75V，通常取 5V 減 5%）

• Z0 = 電纜特性阻抗（120Ω）

• Vnoise = 測(cè)得的最大差分噪聲

假設(shè)最小總線(xiàn)電壓為 4.75V，接收器的輸入閾值VAB 為 0.25V，電纜特性阻抗Z0 為 120Ω，則可以計(jì)算出外部電阻RB 的值。根據(jù)公式計(jì)算得到：

在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇兩個(gè) 523Ω 的電阻器串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的電阻值。這個(gè)配置可以如下圖所示建立失效保護(hù)電路。 

使用兩個(gè) 523Ω 的電阻器串聯(lián)，插入到終端電阻 RT 中，可以建立有效的失效保護(hù)電路。這種設(shè)計(jì)可以確保即使在信號(hào)丟失的情況下，接收器也能輸出穩(wěn)定的狀態(tài)，并提高整體系統(tǒng)的抗干擾能力。 

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總線(xiàn)負(fù)載

驅(qū)動(dòng)器的輸出性能主要取決于它需要為負(fù)載提供的電流，因此在總線(xiàn)上增加收發(fā)器和失效保護(hù)電路會(huì)直接增加總負(fù)載電流的需求。為了合理估算總線(xiàn)所能承受的最大負(fù)載數(shù)，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)引入了單位負(fù)載（UL）這個(gè)概念。單位負(fù)載表示約 12kΩ 的負(fù)載阻抗，而符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá) 32 個(gè)單位負(fù)載。

在實(shí)際應(yīng)用中，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代收發(fā)器的設(shè)計(jì)逐漸優(yōu)化，能夠顯著降低單位負(fù)載。例如，1/8 UL 的收發(fā)器相比傳統(tǒng)的 1 UL 設(shè)計(jì)，負(fù)載阻抗更高，導(dǎo)致電流消耗更低，因此可以在總線(xiàn)上連接更多的收發(fā)器設(shè)備。理論上，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使總線(xiàn)支持多達(dá) 256 個(gè)收發(fā)器連接。

盡管現(xiàn)代收發(fā)器減少了單位負(fù)載，但失效保護(hù)偏置電路仍然會(huì)對(duì)總線(xiàn)負(fù)載產(chǎn)生影響，尤其是在需要確保系統(tǒng)在信號(hào)丟失情況下仍能輸出確定狀態(tài)時(shí)。這種失效保護(hù)偏置可能貢獻(xiàn)多達(dá) 20 個(gè)單位的總線(xiàn)負(fù)載，因此計(jì)算總線(xiàn)最大負(fù)載時(shí)，必須將這一因素考慮在內(nèi)。

為了計(jì)算總線(xiàn)上可以連接的最大收發(fā)器數(shù)量 N，我們可以使用以下公式：

舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用 1/8-UL 的收發(fā)器時(shí)，最大連接數(shù) N 計(jì)算如下：

因此，若在 RS-485 總線(xiàn)上使用 1/8 UL 的收發(fā)器設(shè)計(jì)，最多可將 96 個(gè)器件連接到總線(xiàn)中。這一計(jì)算確保了即使在總線(xiàn)負(fù)載增加的情況下，系統(tǒng)仍然可以保持穩(wěn)定的性能，不會(huì)因負(fù)載過(guò)大而導(dǎo)致通信故障或數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。 

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，雖然公式提供了理論上的最大連接數(shù)，但為了確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到可能的環(huán)境干擾、信號(hào)衰減以及其他系統(tǒng)因素。建議在接近理論最大值時(shí)，保留一定的裕量，以便應(yīng)對(duì)不確定因素帶來(lái)的潛在影響。

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數(shù)據(jù)速率與總線(xiàn)長(zhǎng)度

在確定 RS-485 總線(xiàn)的最大傳輸長(zhǎng)度時(shí)，數(shù)據(jù)速率、傳輸線(xiàn)損耗和信號(hào)抖動(dòng)都是關(guān)鍵因素。在特定數(shù)據(jù)速率下，信號(hào)抖動(dòng)超過(guò)波特周期的 10% 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴?huì)顯著降低。為了直觀展示這一關(guān)系，下圖描繪了傳統(tǒng) RS-485 電纜在 10% 信號(hào)抖動(dòng)情況下，不同電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。

A. 短電纜長(zhǎng)度與高數(shù)據(jù)速率區(qū)域

圖形的第 1 部分展示了短電纜長(zhǎng)度下的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。在這一部分，傳輸線(xiàn)路的損耗幾乎可以忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)速率的限制主要取決于驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間。雖然 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議的最高數(shù)據(jù)速率為 10Mbps，但隨著現(xiàn)代接口電路的發(fā)展，當(dāng)前的系統(tǒng)可以支持高達(dá) 40Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此時(shí)，電纜長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)速率的影響最小。

B. 從短電纜到長(zhǎng)電纜的過(guò)渡區(qū)域

第 2 部分展示了數(shù)據(jù)線(xiàn)路從短到長(zhǎng)的過(guò)渡區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，傳輸線(xiàn)路損耗開(kāi)始顯現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率必須隨電纜長(zhǎng)度的增加而降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，電纜長(zhǎng)度（米）與數(shù)據(jù)速率（bps）的乘積應(yīng)小于 10710^7107。例如，若數(shù)據(jù)速率為 1Mbps，則電纜長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò) 10公里。然而，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則較為保守，實(shí)際應(yīng)用中使用的電纜性能可能允許更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度，但仍需注意信號(hào)完整性和可靠性。

C. 低頻率下的信號(hào)衰減與電纜長(zhǎng)度

圖形的第 3 部分展示了較低頻率范圍內(nèi)的情況。在此范圍內(nèi)，信號(hào)衰減主要由線(xiàn)路電阻決定，而非開(kāi)關(guān)速度。隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜的電阻接近于終端電阻的值，形成了一個(gè)電壓分壓器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致信號(hào)衰減大約為 -6dB。對(duì)于 120Ω 阻抗的 22 AWG 非屏蔽雙絞線(xiàn) (UTP)，這一情況通常發(fā)生在電纜長(zhǎng)度達(dá)到約 1200米時(shí)。

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最小節(jié)點(diǎn)間距

RS-485 總線(xiàn)是一種典型的分布式參數(shù)電路，其電氣特性主要由沿物理介質(zhì)（包括互連電纜和印刷電路板軌線(xiàn)）分布的電感和電容共同決定。這種分布式參數(shù)結(jié)構(gòu)意味著在設(shè)計(jì) RS-485 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須特別注意總線(xiàn)的電氣負(fù)載和阻抗匹配，以確保信號(hào)完整性和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)在 RS-485 總線(xiàn)中添加器件或互連電路時(shí)，會(huì)引入附加的電容，這些電容會(huì)降低總線(xiàn)的特性阻抗。隨著總線(xiàn)阻抗的降低，總線(xiàn)的介質(zhì)與負(fù)載部分之間的阻抗可能不匹配，導(dǎo)致信號(hào)在這些不匹配點(diǎn)處反射回源端。這種反射可能會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的失真，從而影響接收器接收到的信號(hào)質(zhì)量。

為了確保從驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)在到達(dá)接收器時(shí)仍能保持有效的電壓電平，必須保持總線(xiàn)上的最小負(fù)載阻抗 Z′>0.4×Z0（其中Z0 為傳輸線(xiàn)的特性阻抗）。這一要求可以通過(guò)在總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間保持最小距離 d 來(lái)實(shí)現(xiàn)。該最小距離 d 可以由以下公式計(jì)算：

其中：

• CL 是集總負(fù)載電容，即器件、連接器、印刷電路板軌線(xiàn)等引入的附加電容。

• C′ 是每單位長(zhǎng)度的介質(zhì)電容（如電纜或 PCB 軌線(xiàn)的分布電容）。

上面方程式表明了器件間距 d 與分布式介質(zhì)電容C′ 和集總負(fù)載電容 CL 的關(guān)系。下圖則以圖形方式展示了這種關(guān)系，直觀地展示了不同電容值下，器件之間的最小間距要求。

影響總線(xiàn)電容的主要因素如下：

• 收發(fā)器電容：5V 收發(fā)器的輸入電容通常為 7pF。3V 收發(fā)器的輸入電容則大約是 16pF，幾乎是前者的兩倍。

• PCB 軌線(xiàn)電容：取決于電路板設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，PCB 軌線(xiàn)每厘米通常會(huì)增加 0.5~0.8pF 的電容。

• 連接器和保護(hù)器件電容：連接器觸點(diǎn)、電路保護(hù)器件（如ESD抑制器件）的電容范圍可能變化較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。

• 介質(zhì)分布電容：不同類(lèi)型的電纜或背板的分布電容也有所不同。

• 低電容非屏蔽雙絞線(xiàn)電纜的分布電容通常為 40pF/m，而背板的分布電容可能高達(dá) 70pF/m。

為了確保 RS-485 總線(xiàn)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須盡可能減少集總負(fù)載電容的影響。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 縮短存根區(qū)域的電氣距離：保持總線(xiàn)到收發(fā)器的連接盡可能短，減少信號(hào)反射的機(jī)會(huì)。

• 合理選擇收發(fā)器：選擇低電容的收發(fā)器，尤其是在需要長(zhǎng)距離傳輸或高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中。

• 優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)：在 PCB 設(shè)計(jì)中，盡量縮****號(hào)路徑，并避免不必要的電容負(fù)載。

• 仔細(xì)選擇電纜和連接器：在布線(xiàn)時(shí)，選擇具有較低分布電容的電纜，并確保連接器和其他電氣元件對(duì)總線(xiàn)電容的貢獻(xiàn)盡可能小。

通過(guò)對(duì)這些因素的精確控制，可以有效減少總線(xiàn)阻抗不匹配所帶來(lái)的信號(hào)反射問(wèn)題，從而提高 RS-485 總線(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)完整性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

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接地和隔離

在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮接地電勢(shì)差（GPD）可能帶來(lái)的問(wèn)題。這些電壓差異會(huì)以共模干擾的形式疊加到傳輸線(xiàn)上，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸故障。雖然總疊加信號(hào)可能仍在接收器輸入的共模范圍內(nèi)，但依賴(lài)本地接地作為電流回路是相當(dāng)危險(xiǎn)的（如下圖a 所示）。由于遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)可能從不同電氣設(shè)備獲取電源，在維護(hù)或設(shè)備更改期間，接地電勢(shì)差可能超出接收器的輸入共模范圍，導(dǎo)致原本正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障。

直接通過(guò)接地線(xiàn)連接遠(yuǎn)端地也并不可?。ㄈ缦聢Db 所示），因?yàn)檫@可能引發(fā)大電流環(huán)路，進(jìn)而將共模噪聲引入信號(hào)線(xiàn)。為了有效隔離遠(yuǎn)端地，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)建議在設(shè)備地與本地系統(tǒng)地之間插入電阻器（見(jiàn)下圖c）。這種方法雖然可以減少環(huán)路電流，但由于仍然存在大電流環(huán)路，數(shù)據(jù)鏈路仍然容易受到沿環(huán)路路徑產(chǎn)生的噪聲的影響。因此，這種方式并不能完全保障數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性。

要建立一個(gè)能夠容忍數(shù)千伏接地電勢(shì)差且適用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)膹?qiáng)健 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路，最有效的方法是對(duì)信號(hào)和電源進(jìn)行隔離（見(jiàn)下圖）。在這種配置下，電源隔離器（如隔離的直流/直流轉(zhuǎn)換器）和信號(hào)隔離器（如數(shù)字電容隔離器）可以防止遠(yuǎn)程系統(tǒng)地之間的電流流動(dòng)，避免形成環(huán)路電流。

下圖則展示了多個(gè)隔離收發(fā)器的示例配置。在這其中，除一個(gè)收發(fā)器外，所有收發(fā)器都通過(guò)隔離設(shè)備接入總線(xiàn)。左側(cè)的非隔離收發(fā)器為整個(gè)總線(xiàn)提供了單一的接地基準(zhǔn)，這種配置在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，確保了數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。