RS-485 系统设计：从原理到实践的完整指南

　　RS - 485 具有诸多显著特性。它采用平衡接口，多点可采用单一 5V 电源，总线共模范围在 –7V 至 +12V 之间，多达 32 个单位负载，数据速率可达 10Mbps（距离为 40 英尺），电缆长度能达到 4000 英尺（速率为 100kbps）。这些特性使得 RS - 485 在工业通信等领域得到了广泛应用。

　　在网络拓扑方面，RS - 485 标准建议使用菊花链连接其节点，也就是合用线或总线拓扑。在这种拓扑结构中，所使用的驱动器、接收器和收发器通过短网存根接入主干线。接口总线可设计用于全双工或半双工传输。

全双工实现需要两个信号对（四根电线）以及全双工收发器，其具有用于发送器和接收器的单独总线访问线路，允许节点在一个对上发送数据，同时在另一个对上接收数据。而半双工模式仅使用一对信号，要求在不同的时间驱动和接收数据。两种实现方式都需要通过方向控制信号（例如驱动器 / 接收器使能信号）对所有节点进行控制，以确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态，避免总线争用。

　　信号电平方面，符合 RS - 485 标准的驱动器可在 54 Ω 负载上提供不小于 1.5V 的差分输出，而符合该标准的接收器可检测到低至 200mV 的差分输入。即使在电缆和连接器的信号严重衰减的情况下，这两个值仍能为高可靠性的数据传输提供充足的余量，这也是 RS - 485 非常适合在嘈杂环境中进行长距离联网的主要原因。

　　电缆类型上，在双绞线上传输差分信号对 RS - 485 应用是有利的，因为外部干扰源会以共模方式均等的耦合到两根信号线上，这些噪声会被差分接收器过滤掉。工业 RS - 485 电缆分为有保护套、无保护套、双绞线、非屏蔽双绞线，符合 22 - 24AWG 线规的电缆特性阻抗为 120Ω。图 5 - 1 所示为四线对电缆的横截面，这种非屏蔽双绞线通常用于 2 个全双工网络。两对和单对版本的类似电缆可用于低成本的半双工系统设计。

此外，RS - 485 标准强制设备的印制电路板布局和连接器要与网络的电器特性保持一致，可以通过使印制电路板上的两根信号线尽可能靠近并等长来实现。

　　为避免信号反射，数据传输线应始终端接，并且存根应尽可能的短。正确的端接需要终端电阻 RT 和传输电缆的特性阻抗 Z0 匹配。RS - 485 标准建议采用 Z0 = 120Ω 的电缆，因此电缆干线通常与 120Ω 电阻端接，线缆的末尾处各一个。在噪声环境下的应用通常将 120 Ω 电阻替换为两个 60 Ω 电阻，组成一个低通滤波器，用于提供额外的共模噪声滤除能力。存根的电气长度（收发器与电缆干线之间的距离）应小于驱动器输出上升时间的 1/10 ，并通过特定公式得出。上升时间长的驱动器非常适合那些需要长存根长度和减小器件产生的 EMI 的应用。
　　失效保护使得接收器在缺少输入信号时有能力输出一个确定的状态。有三种可能的原因会导致信号丢失 (LOS)：开路（线缆中断或者收发器从总线断开）、短路（差分对的导线因绝缘层失效而接触在一起）、总线空闲（所有总线驱动器均未处于活动状态时）。现在的收发器内部都包含一个偏置电路，可以对开路、短路和总线空闲进行保护，但在干扰环境中，要增加外部失效保护电路以增加噪声容限。
　　驱动器的输出取决于其必须提供给负载的电流，因此在总线上增加收发器和失效防护电路会增加所需的总负载电流。为了估算可能的总线负载数，RS - 485 指定了一个单位负载 (UL) 的假设项，现如今使用的收发器通常可以减少单位负载，从而在总线上连接更多的收发器。
　　在给定数据速率下，总线长度受到传输线损耗和信号抖动的限制。当波特周期的抖动为 10% 或以上时，数据可靠性会急剧下降。RS - 485 总线是一种分布式参数电路，其电气特性主要由沿物理介质分布的电感和电容决定。要确保从驱动器输出的个信号传输到接收器输入端时电压电平仍有效，需要总线上任何一处的负载阻抗 Z' > 0.4 x Z0 ，这可以通过在总线节点之间保持距离 d 来实现。
　　设计远程数据链路时，设计人员必须假定存在很大的接地电势差 (GPD)。这些电压 Vn 会以共模干扰的形式叠加到传输线上。为了建立一个强健的数据链路，建议采用信号及供电电源隔离的方法，通过电源隔离器和信号隔离器防止电流在远程系统地之间流动，避免产生环路电流。