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485總線工業級設計指南

作者:天地華杰    作者單位:天地華杰    2009年5月4日  

    485總線的工業設計應用指南
    深圳市天地華杰科技有限公司 (轉載)
    作為上世紀80年代早期批準的一個平衡傳輸標準,RS-485似乎已成為工業界永不過時的接口標準。關于它的文獻有很多,但對于很少接觸接口設計的系統工程師而言,如此海量的文獻就有些讓人吃不消了。
    本文旨在討論RS-485標準的主要內容,為初接觸它的設計師提供入門指南。研究文末參考的一些附加應用筆記可進一步幫助設計師在最短的時間內完成一套可靠的數傳設計。
    RS-485標準的用途
    RS-485只定義了用于平衡多點傳輸線的驅動器和接收器的電特性,因此很多更高層標準都將其作為物理層引用。
    網絡拓撲
    總線節點以菊花鏈或總線拓撲方式聯網。(見圖1)也就是說,每個節點都通過很短的線頭連接到主線纜。該接口總線通常設計為用于半雙工傳輸,也就是說它只用一對信號線,驅動數據和接收數據只能在不同時刻出現在信號線上。
   
    圖1:RS-485總線結構(左)與半雙工總線結構(右)。
    這就需要通過方向控制信號(例如驅動器/接收器使能信號)控制節點操作的協議,以確保任何時刻總線上都只能有一個驅動器在活動,而必須避免多個驅動器同時訪問總線導致總線競爭。
    信號電平
    RS-485驅動器必需在54的負載上提供最小1.5V的差分輸出,而RS-485接收器則必需能檢測到最小為200mv的差分輸入(見圖2)。這兩個值為可靠數據傳輸提供了足夠的裕度,即便信號經過線纜和連接器發生嚴重衰減時亦如此。而穩健性正是RS-485適用于噪聲環境的長距離聯網的主要原因。
   
    圖2:RS-485規定的最小總線信號電平。
    線纜類型
    在雙絞線上傳送差分信號為RS-485應用帶來了很大好處。這是因為外部噪聲源產生的噪聲總是等量耦合進兩根信號線中,屬于共模噪聲,而這能在差分接收器的輸入處就被抑制掉。
    工業用RS-485線纜是特性阻抗為120和22AWG的塑封非屏蔽雙絞線。圖3所示為一對用于半雙工網絡的UTP線纜的橫截面。
   
    圖3:RS-485通信線纜示例。
    為了保持網絡的電特性,除了網絡線纜的連接之外,印制電路板的布線和RS-485設備連接器上的管腳分配需保持兩根信號線之間的距離均等且足夠靠近。
    總線端接與線頭長度
    數據傳輸線應進行端接,而且線頭應盡可能短,以避免傳輸線上發生信號反射。良好的端接要求終端電阻RT與傳輸線線纜的特征阻抗Z0匹配。RS-485建議采用Z0為120的線纜,因此通常每根線纜末端都采用120的電阻進行端接。
   
   
    圖4:利用共模噪聲濾波器對RS-485進行端接。
    噪聲環境下的應用往往用兩個RC低通濾波器替代這些120的電阻,以增強對共模噪聲的濾波(見圖4)。值得注意的是,兩個濾波器的電阻值應相等(最好采用精密電阻)以確保兩個濾波器具有相同的滾降頻率。電阻容差過大會導致濾波器轉角頻率出現偏差,而導致共模噪聲轉換為差模噪聲,使接收器的抗噪性能降低。
    線頭的電長度(即收發器與線纜干線之間的距離)應小于驅動器輸入信號上升時間的1/10。表1列出了圖4中不同驅動信號上升時間對應的最大線纜線頭長度。
   
    表1:不同信號上升時間下的線頭長度和未端接線纜長度。
    故障保險
    故障保險(failsafe)是指接收器可以在無輸入信號時保證一個確定的輸出狀態。可能導致信號丟失的原因有三種:1)電路開路:由電線斷線或收發器從總線上斷開導致;2)電路短路:絕緣失效導致傳輸差分對信號的兩根線互相短路;3)總線空閑:總線上沒有驅動器工作。
    由于以上幾種條件可能導致傳統的接收器在輸入信號為零時輸出隨機的狀態,因此現代收發器設計中均為開路、短路和總線空閑狀態下的故障保險設計了專門的偏置電路。當輸入信號為零時,該電路會使接收器的輸出保持在一個確定的狀態。
    盡管這些帶故障保險的收發器宣稱能減少元器件個數,但它們10mV的最壞情況噪聲裕度使外部故障保險電路的設計成為必要。
    外部故障保險電路包含一個電阻分壓器,用以產生足夠的差分總線電壓,將接收器的輸出驅動至一個確定的狀態。為確保電路具備足夠的噪聲裕度,VAB在200mV接收器輸入閾值之外還必需能涵蓋最大差分噪聲。按下式計算故障保險偏置電阻RB在最壞情況條件下(即最低電壓,最大噪聲條件下)的阻值:
   
    其中VAB=200mV + VNoise。在最小總線電壓為4.75V,VAB=0.25V并且Zo=120時,RB的計算結果為528。在RT上串聯兩個523的電阻(見圖5左),就在總線一端建立起一個故障保險電路。
   
    圖5:總線空閑的外部故障保險偏置。
    由于驅動器依靠電流輸出,因此必需為輸出電流提供一個負載。為總線增加收發器和故障保險電路同時也增大了所需的總負載電流。為了估計總線允許的最大負載個數,RS-485定義了一個假想的單位負載(UL),一個UL代表的負載阻抗約為12k。符合標準的驅動器必需能驅動32個這樣的單位負載。如今的收發器往往采用的是減小了的單位負載,例如1/8UL,因此總線上允許連接的收發器個數多達256個。
    由于故障保險偏置電路就占據了總線負載中多達20UL,因此總線上允許的最大接收機個數就減少了。因此,當采用1/8的收發器時,總線上最多能連接96個設備。即 。
    數據率與總線長度的關系
    最大總線長度受傳輸線損耗與某個數據率下的信號抖動限制。在抖動達到波特周期的10%或以上時,數據可靠性會急劇下降。圖6給出了傳統RS-485驅動器在10%信號抖動下,不同數據率特性對應的線纜長度。
   
    圖6:不同數據率下的線纜長度。
    在圖6中,第一部分代表了線長受主要非抗性(即阻性)線纜損耗限制的數據率范圍。第2部分中,線纜的電抗性損耗隨頻率增加,因此頻率增加后允許的線纜長度就減小了。經驗準則告訴我們線長(單位為英寸)乘以數據率(單位為bps)應小于3107。當線長較短時,線纜損耗可以忽略,這時,限制最大可能數據率的只有驅動信號的上升時間(第3部分)。
    最小節點間距
    以增多器件與器件間互連的方式增大總線容抗會降低總線阻抗,并導致總線的傳輸媒介與負載部分的阻抗失配。輸入信號到達這些失配點時會有一部分被反射回信號來源處,從而使驅動器輸出信號失真。
    要確保總線上任何一處輸出驅動器送出的信號在第一次信號轉換過程中,到達接收器時均達到有效輸入電平,就要求總線節點之間只相隔最小間距,約可按下式計算:
   
    其中CL為集總負載電容,C為傳輸媒介(線纜或PCB走線)單位長度的電容。上式給出的是最小器件間距與分布媒介和集總負載電阻的函數關系,圖7將這種關系圖形化了。
   
    圖7:最小節點間距與器件和傳輸媒介容抗的關系。
    負載電容包括線路總線管腳的電容、連接器的接觸電容、印制電路板的走線電容、保護器件的電容,當總線至收發器(收發器的線頭)之間的電距離較短時還包括任何其他與干線相連的物理連接帶來的電容。
    接地與隔離
    遠程數據連接通常存在很大的地電位差(GDP),該電位差到了發送器的輸出上就成了共模噪聲。如果這種噪聲過大,就可能超過接收器的輸入共模噪聲容限,從而對器件造成損壞。因此,不建議依靠本地接地作為電流回流的可靠路徑(見圖8a)。也不建議直接用地線連接遠程地,(見圖8b)因為這可能會引發很大的地回路電流,耦合到數據線之中成為共模噪聲。像RS-485建議的那樣通過在接地通路上插入電阻來減小回路電流也只解決了一半問題。一個大接地回路的存在就使數據鏈路對回路中其他地方產生的噪聲非常敏感。因此,通過這種方式仍無法建立一個可靠的數據鏈路(見圖8c)。
   
    圖8:需要注意的設計缺陷:a) GPD過高; b) 回路電流過大; c)減小回路電流,但過大的接地環路仍會導致電路對感應噪聲高度敏感。
    建立可靠的長距離數據鏈路的最可靠的方法是通過絕緣隔離。采用該方法時,總線收發器的信號線和電源線與本地信號與電源是相互隔離的。
    電源隔離器,例如隔離型DC/DC變換器、和數字容性隔離器等信號隔離器均能阻止電流在遠程系統的接地之間流通,從而避免創造這樣的電流回路。
    圖9給出的是多個隔離型收發器的詳細連接。所有收發器中除了一個以外其他均通過隔離連接到總線,圖中唯一一個未隔離的收發器為整個總線提供單一地參考。
   
    圖9:多個現場總線收發器位置與單一地參考的隔離。
    小結
    雖不能說是非常完整,但本文的目標是涵蓋RS-485系統設計的所有主要問題。盡管關于這一主題有大量的技術文獻,但本文旨在為新接觸RS-485的系統設計師們提供一個詳盡的設計指南。
    按照本文討論的方法,并參考一些詳細的應用報告,可以幫助設計師們在最短時間內完成一個可靠的符合RS-485標準的系統設計。
    深圳市天地華杰科技有限公司生產的RS-485系列產品十分豐富,涵蓋范圍也很廣。產品特性包括低EMI、低功率(1/8UL)、高ESD保護(從16kV到30kV),以及針對開路、短路和總線空閑條件的全套故障保險功能。對于需要隔離的遠距離應用,天地華杰的產品線還擴展到單片雙隔離器、三隔離器和4隔離器版本的單向和雙向數字隔離器(從DC到150Mbps),以及隔離型DC/DC變換器(帶3V到5V整流輸出),以為隔離柵兩端同時提供電源。
   
   
   

 以下是關于《485總線工業級設計指南》評論,目前共3條評論  共1頁  第1頁  

評論人:yaohaiquan

 評論時間:2009-11-5

    haihao
評論人:myfeinifei

 評論時間:2011-8-18

    學習了,非常感謝!!!
評論人:銀杏樹

 評論時間:2019-10-29

    樓主辛苦,感謝分享。

共1頁  第1頁  

 

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