工程师详解串口@@@@:RS-232、RS-422、RS-485之间的@@区别@@

串口@@通讯是@@电子@@工程师面对的@@最基本的@@一@@个@@通讯方式@@@@,RS-232是@@其中@@最简单的@@一@@种@@。然而@@@@,很多初学者往往搞不清楚@@UART和@@RS-232、RS-422、RS-485的@@联系和@@区别@@,本文将谈谈这几个@@概念的@@理解@@,帮助大家理清它们之间的@@关系@@。

通讯问题@@,和@@交通问题一@@样@@,也有@@高@@速@@、低@@速@@、拥堵@@、中断等@@等@@各种情况@@。如@@果把串口@@通讯比@@做交通@@,UART比@@作车站@@,那么一@@帧的@@数据就好比@@汽车@@。汽车跑在@@路上@@,要遵守交通规则@@。如@@果是@@市内@@,一@@般@@限速@@30、40,而@@高@@速公路则可以到@@120。而@@汽车走什么路@@,限速多少@@,就要看协议怎么规定了@@。常见的@@串口@@协议有@@@@RS-232、RS-422、RS-485等@@,他们之间有@@何细微差别@@?下面我们就一@@起来探讨一@@下@@。

一@@、UART是@@什么@@

UART是@@通用异步收发传输器@@(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作@@UART,是@@一@@种异步收发传输器@@,是@@设备@@间进行异步通信@@的@@关键模块@@。UART负责处理数据总线和@@串行口@@之间的@@串@@/并@@、并@@/串转@@换@@,并@@规定了帧格式@@@@;通信@@双方只要采用@@相同的@@帧格式@@和@@波特@@率@@,就能在@@未共享时@@钟信号@@的@@情况下@@,仅用两根信号@@线@@@@@@(Rx 和@@Tx)就可以完成通信@@过程@@,因此@@也称为@@异步串行通信@@@@@@。

UART

若加入一@@个@@合适的@@电平@@转@@换器@@,如@@SP3232E、SP3485,UART 还能用于@@RS-232、RS-485 通信@@,或@@与@@计算机的@@@@端@@口@@连接@@。UART 应用非常广泛@@,手机@@、工业控制@@、PC 等@@应用中都要用到@@UART。

UART使用的@@@@是@@异步@@,串行通信@@@@。

串行通信@@@@是@@指利用一@@条传输线将资料一@@位@@位@@地顺序传送@@。特点是@@通信@@线路简单@@,利用简单的@@线缆就可实现通信@@@@,降低@@成本@@,适用于远距离通信@@@@,但@@传输速度慢的@@应用场合@@。

异步通信@@以一@@个@@字符@@为@@传输单位@@@@,通信@@中两个@@字符@@间的@@时@@间间隔多少是@@不固定的@@@@,然而@@@@在@@@@同一@@个@@字符@@中的@@两个@@相邻位@@间的@@时@@间间隔是@@固定的@@@@。

数据传送速率用波特@@率来表@@示@@@@@@,即@@每秒@@钟传送的@@二@@进制位@@数@@。例如@@@@数据传送速率为@@@@120字符@@/秒@@,而@@每一@@个@@字符@@为@@@@10位@@(1个@@起始位@@@@@@,7个@@数据位@@@@@@,1个@@校验位@@@@,1个@@结束位@@@@),则其传送的@@波特@@率为@@@@@@10×120=1200字符@@/秒@@=1200波特@@。

数据通信@@格式@@@@如@@下图@@:

数据通信@@格式@@@@

其中@@各位@@的@@意义如@@下@@:

起始位@@@@:先发出一@@个@@逻辑@@@@”0”信号@@,表@@示@@@@传输字符@@的@@开始@@。数据位@@@@:可以是@@@@5~8位@@逻辑@@@@”0”或@@”1”。如@@ASCII码@@(7位@@),扩展@@BCD码@@(8位@@)。小端@@传输校验位@@@@:数据位@@@@加上这一@@位@@后@@,使得@@“1”的@@位@@数应为@@偶数@@(偶校验@@)或@@奇数@@(奇校验@@)停止位@@@@:它是@@一@@个@@字符@@数据的@@结束标志@@。可以是@@@@1位@@、1.5位@@、2位@@的@@高@@电平@@@@。空闲位@@@@:处于逻辑@@@@“1”状态@@,表@@示@@@@当前线路上没有@@资料传送@@。

注@@:异步通信@@是@@按字符@@传输的@@@@,接收设备@@在@@收到起始信号@@之后只要在@@一@@个@@字符@@的@@传输时@@间内能和@@发送设备@@保持同步就能正确接收@@。下一@@个@@字符@@起始位@@@@的@@到来又使同步重新校准@@(依靠检测起始位@@@@来实现发送与@@接收方的@@时@@钟自同步的@@@@)

异步通信@@是@@按字符@@传输的@@@@

二@@、RS-232标准@@

RS-232是@@美国电子@@工业协会@@EIA(Electronic Industry Association)制定的@@一@@种串行物理接口@@@@标准@@@@。RS是@@英文@@“推荐标准@@@@”的@@缩写@@,232为@@标识号@@。RS-232是@@对电气特性以及@@物理特性的@@规定@@,只作用于数据的@@传输通路上@@,它并@@不内含对数据的@@处理方式@@@@。需要说明一@@下@@,很多人经常把@@RS-232、RS-422、RS-485 误称为@@通讯协议@@,这是@@很不应该的@@@@,其实它们仅是@@关于@@UART通讯的@@一@@个@@机械和@@电气接口@@@@标准@@@@(顶多是@@网@@络协议中的@@物理层面@@)。

该标准@@规定@@采用@@一@@个@@@@25 个@@脚的@@@@DB-25 连接器@@,对连接器@@的@@每个@@引脚的@@信号@@内容加以规定@@,还对各种信号@@的@@电平@@加以规定@@。后来@@IBM的@@PC 机将@@RS-232 简化成了@@DB-9 连接器@@,从而@@成为@@今天的@@事实标准@@@@。而@@工业控制@@的@@@@RS-232 口@@一@@般@@只使用@@RXD(2)、TXD(3)、GND(5) 三@@条线@@。

RS-232标准@@

早期由于@@@@PC都带有@@@@RS-232接口@@@@,所以@@我们需要使用@@UART时@@,都选择@@RS-232。但@@是@@@@现在@@个@@人电脑@@,不光是@@笔记本@@,包括@@台式@@机都不再带有@@@@RS-232的@@接口@@@@@@,大家看到电脑主板上面没有@@@@DB9的@@接口@@@@@@。所以@@现在@@开发板都选择@@@@TTL的@@UART,或@@者直接@@UART转@@USB做在@@开发板上@@。

嵌入式@@里面说的@@串口@@@@,一@@般@@是@@指@@UART口@@, 但@@是@@@@我们经常搞不清楚它和@@@@COM口@@的@@区别@@, 以及@@RS232, TTL等@@关系@@, 实际上@@UART,COM指的@@物理接口@@@@形式@@@@(硬件@@), 而@@TTL、RS-232是@@指的@@电平@@标准@@@@(电信号@@@@).

UART有@@4个@@pin(VCC, GND, RX, TX), 用的@@@@TTL电平@@, 低@@电平@@为@@@@0(0V),高@@电平@@为@@@@1(3.3V或@@以上@@)。

UART有@@4个@@pin

三@@、RS-485/ RS-422标准@@

RS-232接口@@@@可以实现点对点的@@通信@@方式@@@@,但@@这种方式@@不能实现联网@@功能@@。于是@@@@,为@@了解决这个@@问题@@,一@@个@@新的@@标准@@@@RS-485产生了@@。RS-485的@@数据信号@@采用@@差分传输方式@@@@,也称作平衡传输@@,它使用一@@对双绞线@@,将其中@@一@@线定义为@@@@A,另一@@线定义为@@@@B。

通常情况下@@,发送驱动器@@A、B之间的@@正电平@@在@@@@+2~+6V,是@@一@@个@@逻辑@@状态@@@@,负电平@@在@@@@-2~6V,是@@另一@@个@@逻辑@@状态@@@@。另有@@一@@个@@信号@@地@@C,在@@RS-485中还有@@一@@@@“使能@@”端@@,而@@在@@@@RS-422中这是@@可用可不用的@@@@@@。

RS-422 的@@电气性能与@@@@RS-485完全一@@样@@。主要的@@区别在@@于@@:RS-422 有@@4 根信号@@线@@@@:两根发送@@、两根接收@@。由于@@RS-422 的@@收与@@发是@@分开的@@所以@@可以同时@@收和@@发@@(全双工@@),也正因为@@@@全双工@@要求收发要有@@单独的@@信道@@,所以@@RS-422适用于两个@@站之间通信@@@@,星型网@@@@、环网@@@@,不可用于总线网@@@@;RS-485 只有@@@@2 根信号@@线@@@@,所以@@只能工作在@@半双工@@模式@@@@,常用于总线网@@@@。

RS-485/ RS-422标准@@

RS-485的@@电气特性@@:逻辑@@“1”以两线间的@@电压差@@为@@@@+(2~6)V表@@示@@@@;逻辑@@“0”以两线间的@@电压差@@为@@@@-(2~6)V表@@示@@@@。接口@@@@信号@@电平@@比@@@@RS-232-C降低@@了@@,就不易损坏接口@@@@电路的@@芯片@@@@,且该电平@@与@@@@@@TTL电平@@兼容@@,可方便与@@@@TTL 电路连接@@。

RS-485的@@数据最高@@传输速率@@为@@@@10Mbps 。

RS-485接口@@@@是@@采用@@平衡驱动器和@@差分接收器的@@组合@@,抗共模干扰能力增强@@,即@@抗噪声干扰性好@@@@。

RS-485最大的@@通信@@距离约为@@@@1219M,最大传输速率@@为@@@@10Mb/S,传输速率@@与@@传输距离@@成反比@@@@,在@@100Kb/S的@@传输速率@@下@@,才可以达到@@最大的@@通信@@距离@@,如@@果需传输更长的@@距离@@,需要加@@485中继器@@。RS-485总线一@@般@@最大支持@@32个@@节点@@,如@@果使用特制的@@@@485芯片@@,可以达到@@128个@@或@@者@@256个@@节点@@,最大的@@可以支持到@@400个@@节点@@。

由于@@RS-232 接口@@@@标准@@出现较早@@,难免有@@不足之处@@,主要有@@以下四@@点@@:

(1) 接口@@@@的@@信号@@电平@@值较高@@@@,易损坏接口@@@@电路芯片@@@@,又因为@@@@@@232电平@@与@@@@TTL电平@@不兼容故需使用电平@@转@@换电路方能与@@@@TTL电路连接@@;

(2) 传输速率@@较低@@@@,在@@异步传输时@@@@,波特@@率为@@@@20Kbps。现在@@由于@@采用@@了新的@@@@UART芯片@@,波特@@率达到@@115.2Kbps(1.832M/16);

(3) 接口@@@@使用一@@根信号@@线@@@@和@@一@@根信号@@返回线而@@构成共地的@@传输形式@@@@,这种共地传输容易产生共模干扰@@,所以@@抗噪声干扰性弱@@;

(4) 传输距离@@有@@限@@,最大传输距离@@标准@@值为@@@@50 米@@,实际上@@也只能用在@@@@15 米@@左右@@;

(5) RS-232 只容许一@@对一@@的@@通信@@@@@@,没有@@考虑构成串行总线@@。(这点很重要@@,在@@很多控制场景@@,是@@一@@控多@@,如@@果主设备@@都需要跟从设备@@点对点通信@@@@,那现场布线成蜘蛛网@@了@@)

对一@@的@@通信@@@@

非平衡型串行通信@@@@接口@@@@@@@@RS-423,RS-449

非平衡型串行通信@@@@接口@@@@@@@@RS-423,RS-449tu 9

平衡型串行通信@@@@接口@@@@@@RS-422

RS-422(EIA RS-422-A Standard)是@@Apple的@@Macintosh计算机的@@@@串口@@连接标准@@@@。RS-422使用差分信号@@@@,RS-232使用非平衡参考地的@@信号@@@@。差分传输使用两根线发送和@@接收信号@@@@,对比@@@@RS-232,它能更好的@@抗噪声和@@有@@更远的@@传输距离@@@@。在@@工业环境中更好的@@抗噪性和@@更远的@@传输距离@@是@@一@@个@@很大的@@优点@@。

平衡型串行通信@@@@接口@@@@@@RS-422tu11tu 12tu 13

四@@、RS-232与@@RS-485对比@@@@

1、抗干扰性@@:RS485 接口@@@@是@@采用@@平衡驱动器和@@差分接收器的@@组合@@,抗噪声干扰性好@@。RS232 接口@@@@使用一@@根信号@@线@@@@和@@一@@根信号@@返回线而@@构成共地的@@传输形式@@@@,这种共地传输容易产生共模干扰@@。

2、传输距离@@:RS485 接口@@@@的@@最大传输距离@@标准@@值为@@@@@@ 1200 米@@(9600bps 时@@),实际上@@可达@@ 3000 米@@。RS232 传输距离@@有@@限@@,最大传输距离@@标准@@值为@@@@ 50 米@@,实际上@@也只能用在@@@@ 15 米@@左右@@。

3、通信@@能力@@:RS-485 接口@@@@在@@总线上@@是@@允许连接多达@@128个@@收发器@@@@,用户可以利用单一@@的@@@@ RS-485 接口@@@@方便地建立起设备@@网@@络@@。RS-232只允许一@@对一@@通信@@@@。

4、传输速率@@:RS-232传输速率@@较低@@@@,在@@异步传输时@@@@,波特@@率为@@@@ 20Kbps。RS-485 的@@数据最高@@传输速率@@为@@@@ 10Mbps 。

5、信号@@线@@:RS485 接口@@@@组成的@@半双工@@网@@络@@,一@@般@@只需二@@根信号@@线@@@@@@。RS-232 口@@一@@般@@只使用@@ RXD、TXD、GND 三@@条线@@ 。

6、电气电平@@值@@:RS-485的@@逻辑@@@@"1"以两线间的@@电压差@@为@@@@+(2-6) V 表@@示@@@@;逻辑@@"0"以两线间的@@电压差@@为@@@@-(2-6)V 表@@ 示@@ 。在@@ RS-232-C 中任何一@@条信号@@线@@的@@电压均为@@负逻辑@@关系@@。即@@:逻辑@@"1",-5- -15V;逻辑@@"0 " +5- +15V 。

五@@、RS-422与@@RS-485对比@@@@

RS-485的@@电气性能与@@@@RS-422完全一@@样@@。主要的@@区别在@@于@@:

1、RS-422 有@@4 根信号@@线@@@@:两根发送@@(Y、Z)、两根接收@@(A、B)。由于@@RS-422 的@@收与@@发是@@分开的@@所以@@可以同时@@收和@@发@@(全双工@@)。

2、RS-485 只有@@@@两根数据线@@:发送和@@接收都是@@@@A 和@@B。由于@@RS-485 的@@收与@@发是@@共用两根线@@,所以@@不能同时@@收和@@发@@(半双工@@)。

RS-485标准@@采用@@平衡式@@发送@@,差分式@@接收的@@数据收发器@@来驱动总线@@,具体规格要求@@:

接收器的@@输入电阻@@RIN≥12kΩ

驱动器能输出@@±7V的@@共模电压@@

输入端@@的@@电容@@≤50pF

在@@节点数为@@@@32个@@,配置了@@120Ω的@@终端@@电阻@@的@@情况下@@@@,驱动器至@@少还能输出电压@@1.5V(终端@@电阻@@的@@大小@@与@@所用双绞线的@@参数有@@关@@)

接收器的@@输入灵敏度@@为@@@@200mV(即@@(V+)-(V-)≥0.2V,表@@示@@@@信号@@@@“0”;(V+)-(V-)≤-0.2V,表@@示@@@@信号@@@@“1”)

接收器的@@输入灵敏度@@

因为@@@@RS-485的@@远距离@@、多节点@@(32个@@)以及@@传输线成本低@@的@@特性@@,使得@@EIA RS-485成为@@工业应用中数据传输的@@首选标准@@@@。

(1) RS-485 的@@电气特性@@:发送端@@@@:逻辑@@“0”以两线间的@@电压差@@+(2 ~6)V 表@@示@@@@;逻辑@@“1”以两线间的@@电压差@@-(2 ~6)V 表@@示@@@@。接收端@@@@:A 比@@B 高@@200mV 以上即@@认为@@是@@逻辑@@@@“0”,A 比@@B 低@@200mV 以上即@@认为@@是@@逻辑@@@@“1”;

(2) RS-485 的@@数据最高@@传输速率@@为@@@@10Mbps。但@@是@@@@由于@@@@RS-485 常常要与@@@@PC 机的@@@@RS-232 口@@通信@@@@,所以@@实际上@@一@@般@@最高@@@@115.2Kbps。又由于@@太高@@的@@速率会使@@RS-485 传输距离@@减小@@,所以@@往往为@@@@9600bps 左右或@@以下@@;

(3) RS-485 接口@@@@是@@采用@@平衡驱动器和@@差分接收器的@@组合@@,抗噪声干扰性好@@;

(4) RS-485 接口@@@@的@@最大传输距离@@标准@@为@@@@1200 米@@(9600bps 时@@),实际上@@可达@@3000米@@,RS-485 接口@@@@在@@总线上@@是@@容许连接多达@@128 个@@收发器@@@@、即@@RS-485 具有@@多机通信@@功能@@,这样用户可以利用单一@@的@@@@@@RS-485 接口@@@@方便的@@建立起网@@络@@。因为@@@@RS-485 接口@@@@组成的@@半双工@@网@@络@@,一@@般@@只需二@@根信号@@线@@@@@@,所以@@RS-485 接口@@@@均采用@@双绞线传输@@。RS-485 的@@国际标准@@并@@没有@@规定@@RS-485 的@@接口@@@@@@连接器@@标准@@@@、所以@@采用@@接线端@@子或@@者@@DB-9、DB-25 等@@连接器@@都可以@@。

在@@使用@@RS-485 接口@@@@时@@@@,对于特定的@@传输线径@@,从发生器到负载其数据信号@@传输所容许的@@最大电缆@@长度@@是@@@@数据信号@@速率的@@函数@@,这个@@长度数据主要是@@受信号@@失真及噪声等@@影响@@所限制@@。最大电缆@@长度@@与@@信号@@速率的@@关系曲线是@@使用@@24AWG 铜芯双绞电话电缆@@@@(线径为@@@@0.51mm),线间旁路电容为@@@@52.5PF/M,终端@@负载电阻为@@@@100 欧时@@所得出的@@@@。(引自@@GB11014-89 附录@@A)。当数据信号@@速率降低@@到@@90Kbit/S 以下时@@@@,假定最大容许的@@信号@@损失为@@@@6dBV 时@@,则电缆@@长度@@被限制在@@@@1200m。实际上@@,在@@实用时@@是@@完全可以取得比@@它大的@@电缆@@长度@@@@。当使用不同线径的@@电缆@@@@,则取得的@@最大电缆@@长度@@是@@@@不相同的@@@@。例如@@@@:当数据信号@@速率为@@@@600Kbit/S 时@@,采用@@24AWG 电缆@@,最大电缆@@长度@@是@@@@200m,若采用@@@@19AWG电缆@@(线径为@@@@0.91mm)则电缆@@长度@@将可以大于@@200m;若采用@@@@28AWG 电缆@@(线径为@@@@0.32mm),则电缆@@长度@@只能小于@@200m。

RS-485的@@远距离@@通信@@建议采用@@屏蔽电缆@@@@,并@@且将屏蔽层作为@@地线@@。

六@@、影响@@RS-485总线通讯速度和@@通信@@可靠性的@@三@@个@@因素@@

1、在@@通信@@电缆@@中的@@信号@@反射@@

在@@通信@@过程中@@,有@@两种信号@@因素导致@@信号@@反射@@:阻抗不连续@@和@@阻抗不匹配@@。

阻抗不连续@@,信号@@在@@传输线末端@@突然遇到电缆@@阻抗很小甚至@@没有@@@@,信号@@在@@这个@@地方就会引起反射@@,如@@图@@所示@@@@@@。这种信号@@反射的@@原理@@,与@@光从一@@种媒质进入另一@@种媒质要引起反射是@@相似的@@@@。消除这种反射的@@方法@@,就必须在@@电缆@@的@@末端@@跨接一@@个@@与@@电缆@@的@@特性阻抗同样大小的@@终端@@电阻@@@@,使电缆@@的@@阻抗连续@@。由于@@信号@@在@@电缆@@上的@@传输是@@双向的@@@@,因此@@,在@@通讯电缆@@的@@另一@@端@@可跨接一@@个@@同样大小的@@终端@@电阻@@@@。

信号@@在@@这个@@地方就会引起反射@@

从理论上分析@@,在@@传输电缆@@的@@末端@@只要跨接了与@@电缆@@特性阻抗相匹配的@@终端@@电阻@@@@,就再也不会出现信号@@反射现象@@。但@@是@@@@,在@@实现应用中@@,由于@@传输电缆@@的@@特性阻抗与@@通讯波特@@率等@@应用环境有@@关@@,特性阻抗不可能与@@终端@@电阻@@完全相等@@@@,因此@@或@@多或@@少的@@信号@@反射还会存在@@@@。

引起信号@@反射的@@另一@@个@@原因是@@数据收发器@@与@@传输电缆@@之间的@@阻抗不匹配@@。这种原因引起的@@反射@@,主要表@@现在@@通讯线路处在@@空闲方式@@@@时@@@@,整个@@网@@络数据混乱@@。

信号@@反射对数据传输的@@影响@@@@,归根结底是@@因为@@@@反射信号@@触发了接收器输入端@@的@@比@@较器@@,使接收器收到了错误的@@信号@@@@,导致@@CRC校验错误@@或@@整个@@数据帧错误@@。

在@@信号@@分析@@,衡量反射信号@@强度的@@参数是@@@@RAF(Refection AttenuationFactor反射衰减因子@@)。它的@@计算公式@@如@@式@@@@(1)。

RAF=20lg(Vref/Vinc) (1)

式@@中@@:Vref—反射信号@@的@@电压大小@@;Vinc—在@@电缆@@与@@收发器@@或@@终端@@电阻@@连接点的@@入射信号@@的@@电压大小@@。

具体的@@测量方法@@如@@图@@@@3所示@@@@。例如@@@@,由实验测得@@2.5MHz的@@入射信号@@正弦波的@@峰@@-峰值@@为@@@@+5V,反射信号@@的@@峰@@-峰值@@为@@@@+0.297V,则该通讯电缆@@在@@@@2.5MHz的@@通讯速率时@@@@,它的@@反射衰减因子@@为@@@@:

RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

具体的@@测量方法@@

要减弱反射信号@@对通讯线路的@@影响@@@@,通常采用@@噪声抑制和@@加偏置电阻的@@方法@@。在@@实际应用中@@,对于比@@较小的@@反射信号@@@@,为@@简单方便@@,经常采用@@加偏置电阻的@@方法@@。在@@通讯线路中@@,如@@何通过加偏置电阻提高@@@@通讯可靠性的@@原理@@。

2、在@@通讯电缆@@中的@@信号@@衰减@@

第二@@个@@影响@@信号@@传输的@@因素是@@信号@@在@@电缆@@的@@传输过程中衰减@@。一@@条传输电缆@@可以把它看出由分布电容@@@@、分布电感和@@电阻联合组成的@@等@@效电路@@,如@@图@@所示@@@@@@。

分布电容@@、分布电感和@@电阻联合组成的@@等@@效电路@@

电缆@@的@@分布电容@@@@C主要是@@由双绞线的@@两条平行导线产生@@。导线的@@电阻在@@这里对信号@@的@@影响@@很小@@,可以忽略不计@@。信号@@的@@损失主要是@@由于@@电缆@@的@@分布电容@@@@和@@分布电感组成的@@@@LC低@@通滤波器@@。PROFIBUS用的@@@@LAN标准@@型二@@芯电缆@@@@(西门子为@@@@DP总线选用的@@@@标准@@电缆@@@@),在@@不同波特@@率时@@的@@衰减系数如@@表@@@@1所示@@@@。

电缆@@的@@衰减系数@@

电缆@@的@@衰减系数@@

3、在@@通讯电缆@@中的@@纯阻负载@@

影响@@通讯性能的@@第三@@个@@因素是@@纯阻性负载@@@@(也叫直流负载@@)的@@大小@@。这里指的@@纯阻性负载@@主要由终端@@电阻@@@@、偏置电阻和@@@@RS-485收发器@@三@@者构成@@。

在@@通讯电缆@@中的@@纯阻负载@@

在@@叙述@@EIA RS-485规范时@@曾提到过@@RS-485驱动器在@@带了@@32个@@节点@@,配置了@@150Ω终端@@电阻@@的@@情况下@@,至@@少能输出@@1.5V的@@差分电压@@。一@@个@@接收器的@@输入电阻@@为@@@@12kΩ,整个@@网@@络的@@等@@效电路如@@图@@@@5所示@@@@。按这样计算@@,RS-485驱动器的@@负载能力为@@@@:

RL=32个@@输入电阻并@@联@@2个@@终端@@电阻@@@@=((12000/32)×(150/2))/(12000/32)+(150/2))≈51.7Ω

现在@@比@@较常用的@@@@@@RS-485驱动器有@@@@MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及@@和@@利时@@公司使用的@@@@@@SN75176A/D等@@,其中@@有@@的@@@@RS-485驱动器负载能力可以达到@@@@20Ω。在@@不考虑其它诸多因素的@@情况下@@,按照驱动能力和@@负载的@@关系计算@@,一@@个@@驱动器可带节点的@@最大数量将远远大于@@32个@@。

在@@通讯波特@@率比@@较高@@的@@时@@候@@,在@@线路上偏置电阻是@@很有@@必要的@@@@。偏置电阻的@@连接方法如@@图@@@@6。它的@@作用是@@在@@线路进入空闲状态@@后@@,把总线上@@没有@@数据时@@@@(空闲方式@@@@)的@@电平@@拉离@@@@0电平@@,如@@图@@7。这样一@@来@@,即@@使线路中出现了比@@较小的@@反射信号@@或@@干扰@@,挂接在@@总线上@@的@@数据接收器也不会由于@@这些信号@@的@@到来而@@产生误动作@@。

电平@@拉离@@0电平@@

通过下面后例子了@@,可以计算出@@偏置电阻的@@大小@@@@:

终端@@电阻@@Rt1=Rr2=120Ω;

假设反射信号@@最大的@@峰@@-峰值@@Vref≤0.3Vp-p,则负半周的@@电压@@Vref≤0.15V;终端@@的@@电阻上由反射信号@@引起的@@反射电流@@Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一@@般@@RS-485收发器@@(包括@@SN75176)的@@滞后电压值@@(hysteresis value)为@@50mV,即@@:

(Ibias-Iref)×(Rt1||Rt2)≥50mV

于是@@@@可以计算出@@偏置电阻产生的@@偏置电流@@Ibias≥3.33mA

+5V=Ibias(R上拉@@+R下拉@@+(Rt1||Rt2)) (2)

通过式@@@@2可以计算出@@R上拉@@=R下拉@@=720Ω

在@@实际应用中@@,RS-485总线加偏置电阻有@@两种方法@@:

(1)把偏置电阻平衡分配给总线上@@的@@每一@@个@@收发器@@@@@@。这种方法给挂接在@@@@RS-485总线上@@的@@每一@@个@@收发器@@@@加了偏置电阻@@,给每一@@个@@收发器@@@@都加了一@@个@@偏置电压@@。

(2)在@@一@@段总线上@@只用一@@对偏置电阻@@。这种方法对总线上@@存在@@大的@@反射信号@@或@@干扰信号@@比@@较有@@效@@。值得注@@意的@@是@@偏置电阻的@@加入@@,增加了总线的@@负载@@。

七@@、RS-485总线的@@负载能力和@@通讯电缆@@长度@@之间的@@关系@@

在@@设计@@RS-485总线组成的@@网@@络配置@@(总线长度和@@带负载个@@数@@)时@@,应该考虑到三@@个@@参数@@:纯阻性负载@@、信号@@衰减和@@噪声容限@@。纯阻性负载@@、信号@@衰减这两个@@参数@@,在@@前面已经讨论过@@,现在@@要讨论的@@是@@噪声容限@@(Noise Margin)。RS-485总线接收器的@@噪声容限至@@少应该大于@@200mV。前面的@@论述者是@@在@@假设噪声容限为@@@@0的@@情况下进行的@@@@。在@@实际应用中@@,为@@了提高@@@@总线的@@抗干扰能力@@,总希望系统的@@噪声容限比@@@@EIA RS-485标准@@中规定的@@好一@@些@@。从下面的@@公式@@能看出总线带负载的@@多少和@@通讯电缆@@长度@@之间的@@关系@@:

Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)

其中@@:Vend为@@总线末端@@的@@信号@@电压@@,在@@标准@@测定时@@规定为@@@@0.2V;Vdriver为@@驱动器的@@输出电压@@(与@@负载数有@@关@@。负载数在@@@@5~35个@@之间@@,Vdriver=2.4V;当负载数小于@@5,Vdriver=2.5V;当负载数大于@@35,Vdriver≤2.3V);Vloss为@@信号@@在@@总线中的@@传输过程中的@@损耗@@(与@@通讯电缆@@的@@规格和@@长度有@@关@@),由表@@@@1提供的@@标准@@电缆@@的@@衰减系数@@@@,根据公式@@衰减系数@@b=20lg(Vout/Vin)可以计算出@@Vloss=Vin-Vout=0.6V(注@@:通讯波特@@率为@@@@@@9.6kbps,电缆@@长度@@1km,如@@果特率增加@@,Vloss会相应增大@@);Vnoise为@@噪声容限@@,在@@标准@@测定时@@规定为@@@@0.1V;Vbias是@@由偏置电阻提供的@@偏置电压@@(典型值为@@@@0.4V)。

式@@(3)中乘以@@0.8是@@为@@了使通信@@电缆@@不进入满载状态@@@@。从式@@@@(3)可以看出@@,Vdriver的@@大小@@和@@总线上@@带负载数的@@多少@@成反比@@@@,Vloss的@@大小@@和@@总线长度成反比@@@@,其他几个@@参数只和@@用的@@@@驱动器类型有@@关@@。因此@@,在@@选定了驱动器的@@@@RS-495总线上@@,在@@通信@@波特@@率一@@定的@@情况下@@,带负载数的@@多少@@,与@@信号@@能传输的@@最大距离是@@直接相关的@@@@。具体关系是@@@@:在@@总线允许的@@范围内@@,带负载数越多@@,信号@@能传输的@@距离就越小@@;带负载数据少@@,信号@@能传输的@@距离就发越远@@。

八@@、分布电容@@对@@RS-485总线传输性能的@@影响@@@@

电缆@@的@@分布电容@@@@主是@@由双绞线的@@两条平行导线产生@@。另外@@,导线和@@地之间也存在@@分布电容@@@@,虽然很小@@,但@@在@@分析时@@也不能忽视@@。分布电容@@对@@总线传输性能的@@影响@@@@@@,主要是@@因为@@@@总线上@@传输的@@是@@基波信号@@@@,信号@@的@@表@@达方式@@只有@@@@@@“1”和@@“0”。在@@特殊的@@字节中@@,例如@@@@0x01,信号@@“0”使得@@分布电容@@有@@足够的@@充电时@@间@@,而@@信号@@@@“1”到来时@@@@,由于@@分布电容@@中的@@电荷@@,来不及放电@@,(Vin+)—(Vin-)-还大于@@200mV,结果使接爱误认为@@是@@@@“0”,而@@最终导致@@@@CRC校验错误@@,整个@@数据帧传输错误@@。具体过程@@如@@图@@所示@@@@@@@@。

具体过程@@

由于@@总线上@@分布影响@@@@,导致@@数据传输错误@@,从而@@使整个@@网@@络性能降低@@@@。解决这个@@问题有@@两种方法@@:

(1)降低@@数据传输的@@波特@@率@@;

(2)使用分布电容@@小的@@电缆@@@@,提高@@@@传输线的@@质量@@。

仅仅用一@@对双绞线将各个@@接口@@@@的@@@@A、B端@@连接起来@@,而@@不对@@RS-485通信@@链路的@@信号@@接地@@,在@@某些情况下也可以工作@@,但@@给系统埋下了隐患@@。RS-485接口@@@@采用@@差分方式@@传输信号@@并@@不需要对于某个@@参照点来检测信号@@系统@@,只需检测两线之间的@@电位@@差就可以了@@。但@@应该注@@意的@@是@@收发器@@只有@@@@在@@共模电压不超出一@@定范围@@(-7V至@@+12V)的@@条件下才能正常工作@@。当共模电压超出此范围@@,就会影响@@通信@@的@@可靠直至@@损坏接口@@@@@@。如@@图@@1所示@@@@,当发送器@@@@A向接收器@@B发送数据时@@@@,发送器@@A的@@输出共模电压为@@@@VOS,由于@@两个@@系统具有@@各自独立的@@接地系统存在@@着地电位@@差@@VGPD,那么接收器输入端@@的@@共模电压@@就会达到@@VCM=VOS+VGPD。RS-485标准@@规定@@VOS≤3V,但@@VGPD可能会有@@很大幅度@@(十几伏甚至@@数十伏@@),并@@可能伴有@@强干扰信号@@致使接收器共模输入@@VCM超出正常围@@,在@@信号@@线@@上产生干扰电流影响@@正常通信@@@@,或@@损坏设备@@@@。

文章来源@@:网@@络转@@载@@