RS-485总线的理论与实践

摘 要： 阐述了RS-485总线规范，描述了影响RS-485总线通信速度和通信可靠性的三个因素，同时提出了相应的解决方法并讨论了总线负载能力和传输距离之间的具体关系。
关键词： RS-485 现场总线 信号衰减 信号反射

当前自动控制系统中常见的网络，如现场总线CAN、Profibus、FF、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线标准，所以从硬件开发角度很有必要对RS-485的总线进行总结和研究。

1 EIA RS-485标准
在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。
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")
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标准。

通过下面的例子，可以计算出偏置电阻的大小：
终端电阻Rt1=Rt2=120Ω；
假设反射信号的峰－峰值Vref≤0.3Vp-p，则负半周的电压Vref≤0.15V；
终端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
于是可以计算出由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)把偏置电阻平均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时比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。

3 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。前面的论述都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=0.8Vdriver-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(与通信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δ=20lg Vout/Vin可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V注：通讯波特率为9.6kbps，电缆长度为1km，如果波特率增加，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-485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；带负载数越少，信号能传输的距离就越远。

由于总线上分布电容的影响，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。