终端电阻将如何拯救CAN、485总线?

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各位工程师想必都知道终端电阻的作用是消除信号反射,但其实并不是所有情况都需要终端电阻,有时终端电阻反而会影响信号质量。本篇文章为大家深度解析CAN/RS-485总线的终端电阻设置。

如果我们查询百度百科,终端电阻的档案似乎十分清白:

终端电阻

仿佛在通讯链路的首末两端加上这样一个法宝,即可避免信号的反射,使信号的传播更为顺畅。这样说虽然没有错误,但仍有些细枝末节没能捋出头绪。下面让我们来看看CAN总线和485总线中终端电阻的情况如何?

一 CAN总线

CAN总线中,终端电阻是必不可少的。它存在的意义主要包括两点:

可以确保电平快速进入隐性状态;

提升信号质量。

1、确保电平快速进入隐性状态

在显性状态期间,总线的寄生电容会被充电,而在恢复到隐性状态时,这些电容需要放电。如果CANH、CANL之间没有放置任何阻性负载,电容只能通过收发器内部的差分电阻放电。我们在收发器的CANH、CANL之间加入一个220PF的电容进行模拟试验,位速率为500kbit/s,波形如下图所示。

终端电阻

CAN总线 220pf无终端电阻

终端电阻

CAN总线 220pf增加终端电阻

2、提高信号质量

信号在较高的转换速率情况下,信号边沿能量遇到阻抗不匹配时,会产生信号反射;传输线缆横截面的几何结构发生变化,线缆的特征阻抗会随之变化,也会造成反射。

在总线线缆的末端,阻抗急剧变化导致信号边沿能量反射,总线信号上会产生振铃,若振铃幅度过大,就会影响通信质量。在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻,可以将这部分能量吸收,避免振铃的产生,如下图所示。

终端电阻

CAN总线无终端电阻

终端电阻

CAN总线增加终端电阻

二 485总线

1、RS-485总线增加终端电阻好处

485总线设置终端电阻主要是为了用来抑制信号的反射。

提高信号质量组建RS-485总线网络时,通常使用特性阻抗为120Ω的屏蔽双绞线,由于RS-485收发器输入阻抗一般较高(例如RSM485ECHT输入阻抗为96kΩ,最多可连接256个节点),在信号传输到总线末端时会由于受到的瞬时阻抗发生突变(以RSM485ECHT为例,阻抗由120Ω变为96kΩ),导致信号发生反射,影响信号的质量。RSM485ECHT在1200m,500kbps通信速率的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如下图所示,终端电阻明显改善了信号的质量。

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 500kbps不加终端电阻

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 500kbps 加终端电阻

2、RS-485增加终端电阻的问题

终端电阻虽然可以提高信号质量,但还具有以下几个问题:

降低了驱动信号的幅值

RS-485总线上的负载越大,RS-485收发器输出差分电压幅值越低,RSM485ECHT在5m,500kbps的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如下图所示。

终端电阻

RSM485ECHT 5m 500kbps 不加终端

终端电阻

RSM485ECHT 5m 500kbps 加终端

增大了通信线上的压降

增加终端电阻使通信线缆上的电流增大,产生了较大的压差,降低了接收端的信号幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信号波形如下图所示(0.75mm2通信线),末端信号与首端信号相比下降了0.7V左右。

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 首端波形

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 末端波形

增大了收发器的功耗

增加终端电阻对于接收状态时的工作电流影响不大,但会大大增加驱动状态时的工作电流。以RSM485ECHT为例,RSM485ECHT处于接收状态时工作电流为20mA左右,在驱动状态不加终端电阻时工作电流为27mA左右,在驱动状态加终端电阻时工作电流为83mA左右,可以看出终端电阻大大增加了RS-485收发器的功耗,对于有功耗要求的应用场合,应谨慎使用终端电阻。

3、RS-485终端电阻设置

通信速度低或者通信距离近的情况下建议不加终端电阻

通信速度低或者通信距离近的情况下,信号反射对通信信号的影响不大,而且不加终端电阻可以大大降低功耗,并且通过加较大上下拉电阻值即可保证RS-485总线空闲时具有较高的差分电压幅值,提高了通信的可靠性。

通信距离较长且通信速度较快,对信号质量要求较高的情况

此时可以增加终端电阻,防止阻抗突变引起的信号反射问题,提高信号质量,但应确保在总线空闲时总线的差分电压不处于门限电平范围内。

对功耗有要求且通信距离较长的情况

反射信号在总线上来回反弹,反射信号会逐渐消耗掉。

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 首端波形

终端电阻

RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 末端波形

三  总结

对于CAN总线而言,为保证通讯的稳定性,必须增设终端电阻;RS-485总线不一样。终端电阻的设置需要根据情况而设置,在设计建议预留终端电阻位置或者使用ZLG隔离收发器系列产品,能有效解决总线干扰、通信异常等问题。与传统的设计相比,其内置完整的隔离DC-DC电路、信号隔离电路、总线收发电路以及防护电路,具备更高的集成度与可靠性,适用于需要高稳定性通讯的场合,能够有效帮助您提升总线通信防护等级。

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