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RS-485總線的理論與實(shí)踐
摘 要：闡述了RS-485總線規(guī)范，描述了影響RS-485總線通信速率和通信可靠性的三個(gè)因素，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決方法并討論了總線負(fù)載能力和傳輸距離之間的具體關(guān)系。當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總線CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理層都是基于RS-485的總線進(jìn)行總結(jié)和研究。
一、EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)
在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：
接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓
輸入端的電容≤50pF
在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）
接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V ）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0”；（V ）-（V-）≤-0.2V，表示信號(hào)“1”）
因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。
二、影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素
1、在通信電纜中的信號(hào)反射
在通信過(guò)程中，有兩種信號(hào)因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。
阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖1所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻，如圖2所示。
從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。
引起信號(hào)反射的另個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。
信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。
在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計(jì)算公式如式（1）。
RAF=20lg(Vref/Vinc) （1）
式中：Vref—反射信號(hào)的電壓大小；Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。
具體的測(cè)量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為 5V，反射信號(hào)的峰-峰值為 0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB
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