RS-485的关键技术特征及应用

1. RS-485的关键技术特征

长距离链路——最长4000英尺，1 英尺=0.3048 米，1200m ；

可在一对绞线电缆上双向通信；

差分传输增加了噪声抗扰度，减少了噪声辐射；

可将多个驱动器和接收器连接至同一总线；

宽共模范围允许驱动器与接收器之间存在地电位差异；

TIA/EIA-485-A允许最高10 Mbps的数据速率，但满足TIA/EIA-485-A技术规范的器件不必在整个范围内工作并且不限于10 Mbps；

2. 应用场合

过程控制网络、工业自动化、远程终端、楼宇自动化（例如，暖通空调（HVAC））、保安系统、电机控制和运动控制等。

3. 标准

TIA/EIA-485-A：是电信业使用最广泛的传输线路标准，描述了RS-485接口的物理层，通常与Profibus、Interbus、Modbus、BACnet等更高层协议配套使用，能够在相对较长的距离内实现稳定的数据传输。

TIA/EIA-422-B：RS-422物理层在TIA/EIA-422-B中予以说明。TIA/EIA-485-A标准与TIA/EIA-422-B标准类似，TIA/EIA-485-A标准中规定的驱动器和接收器值同时满足这两种标准。

4. 使用差分信号传输的优点

VIA - VIB > 200mV，则接收器输出为逻辑高电平（RO = 1）。VIA - VIB < -200mV即VIB - VIA > 200mV，则接收器输出为逻辑低电平（RO = 0）。

接收端以A、B信号的差值（200mV）作为电平判断依据，提高了抗共模干扰的能力。

输出端A、B信号电平可高于或低于接收端A、B信号电平，则传输线缆上的电压降不影响电平判断（但线缆太长，则信号的噪声容限会变小）。

A、B信号线上的电流方向总是相反，产生的磁场相互抵消，降低了EMI。

共模电压(VCM)定义：VCM = (VIA + VIB)/2

5. RS-422与RS-485的共同点及差异

共同点：允许最高10 Mbps的数据速率，线路长度最长4000 英尺。

差异点：

5.1 总线架构差异

RS-422是单工多分支标准，只能将1个驱动器和最多10个接收器连接到同一总线，如下图。

图：典型RS-422接口电路

RS-485规定为多点标准，可在同一总线上连接最多32个收发器，如下图。

半双工：RS-485收发器必须具有驱动器/接收器使能引脚,一次仅使能一个驱动器发送数据。

 图：半双工RS-485总线配置

全双工：RS-485允许主从节点之间双向同时通信。

图：全双工RS-485总线配置 

5.2 共模电压范围差异

RS-422接收器可承受±7 V的共模电压（VCM），而RS-485的共模电压范围扩展为-7 V至+12 V。

5.3 接收器的输入阻抗差异

RS-422接收器的输入阻抗必须大于或等于4 kΩ。

RS-485接收器额定的输入阻抗为大于或等于12 kΩ。此阻抗被定义为具有1个单位负载(UL)。RS-485技术规范规定的最高承受能力为32 UL。部分RS-485接收器额定具有¼ UL或⅛ UL。

5.4 RS-485收发器带使能脚

DE引脚设置为低电平(DE = 0),可将驱动器置于高阻态。将驱动器从总线有效断开。使RS-485总线支持多驱动器组网。同理，RE引脚，用于使能/禁用接收器（高阻态），能降低驱动功耗。

6. 终端电阻

6.1 差分传输线

一条传输线路中存在两条线，一条将电流从驱动器载至接收器,另一条提供回到驱动器的返回路径。要实现可靠的RS-485和RS-422通信，必须尽可能减少传输线路中的反射，这就必须进行适当的电缆端接。

6.2 反射与线缆长度

信号转换期间和转换之后会立即发生反射。在较长的线路上，反射更有可能持续很长的时间，足以引起接收器误读逻辑电平。在较短的线路上，反射持续时间短得多，因此对接收的逻辑电平没有影响。这就解释了实际485组网测试时，用较短的线缆就不需要拨终端电阻，而用较长的线缆则需要拨终端电阻。

6.3 终端电阻位置

在RS-422应用中，总线上只有一个驱动器，如果要使用端接，必须将端接置于最远端的一个接收器的电缆末端。根据RS-485应用的要求，端接应位于主节点以及距离主节点最远的从节点。

6.4 端接方式

无端接

尺寸较长的线,传播时间也较长，尺寸较短的线，传播时间也较短。如果信号上升时间是电缆传播延迟时间的四倍以上，该电缆不应视为传输线。

并联端接

无论网络中连接了多少个节点，都不应存在两个以上的端接电阻。端接电阻值等于电缆的特征阻抗。在半双工配置中，电缆的两端必须端接。在全双工配置中，只有主接收器和最远的从接收器需要端接。

交流端接

交流端接用于降低空闲链路的功耗以及降低振铃电压。不过负面影响是会减少电缆长度并降低比特率。电容CT用以下公式选择：

6.5 分支线长度

分支线长度应远小于与位周期倒数相等的频率的¼波长。

6.6 数据速率与电缆长度

使用高数据速率时，只能使用较短的电缆。使用低数据速率时，可使用更长的电缆。对于低数据速率应用，电缆的直流电阻上的压降会降低噪声裕量，限制了电缆长度。使用高数据速率时，电缆的交流效应限制了信号的质量并将电缆长度限于较短距离。对于RS-422，数据速率/电缆长度的变化范围为90 kbps/4000英尺到10 Mbps/15英尺。

以下是较为保守的电缆长度与数据速率变化曲线。

7. EMC及防护

7.1 接收器的差分输入阀值电压

7.2 开启故障安全

总线空闲条件期间，没有器件驱动总线。接收器输出处于未定义状态。这会导致UART上接收到随机数据，进而引起无效起始位、虚假中断和帧错误。要解决这一问题，可以在总线上的一个位置同时放置上拉电阻和下拉电阻。如下图：

R1、R2的计算如下：

7.3 隔离

RS-485应用中通常使用较长链路,这会引起总线上不同节点的链路地电位略有不同,从而产生链路地电流。直流电源供电的非隔离设备组网时，链路地与电源地容易形成地环，引入地噪声。隔离能较好的阻断共模噪声在节点间的传递。隔离必须对信号线路和电源都进行隔离。

7.4 瞬变过压应力保护

雷击、电源波动、开关感应和静电放电等会通过产生较大瞬变电压对RS-485收发器造成损害。因此，ESD保护、EFT保护和浪涌保护技术规范适用于RS-485应用。

在RS-485应用中，TVS的功能是将总线上的电压钳位至RS-485收发器的共模电压范围(−7 V至+12 V)，可在受保护器件与TVS之间增加电阻RS(10 Ω至20 Ω)来加强防护。如下图所示：

7.5 RS-485接口的EMC电路方案

常见的有以下3种

RS-485接口需要应对的瞬变干扰主要有：静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和浪涌(Surge)。

设计瞬变保护电路时，需考虑以下要点：

必须防止或限制瞬变造成的损坏，让系统能够在性能影响最低的情况下恢复正常工作。

保护方案应该足够强大，以便应对系统在电磁场中可能遇到的各种类型的瞬变。

瞬变时长是一个重要因素。对于较长的瞬变，热效应会导致某些保护方案失效。

正常工作条件下，保护电路应该不会干扰系统工作。

如果保护电路因过应力而失效，应该以保护系统的方式失效。

主要有两种类型的保护方案。过流保护用于限制峰值电流，过压保护用于限制峰值电压。

典型的两级保护，主保护处理大部分瞬变能量，次级保护处理主保护允许通过的任何瞬变电压（残压）和电流。

审核编辑：郭婷