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RS-485總線的理論與運用

發布日期：2022-04-18 點擊率：76

1、概述
　隨著數字技術的發展和計算機日益廣泛的應用，現在一個系統往往由多臺計算機組成，需要解決多站、遠距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485收發器。RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實現多站聯網，構成分布式系統，設備簡單、價格低廉、能進行長距離通信的優點使其得到了廣泛的應用
2、RS-485總線的理論
在自動化領域，隨著分布式控制系統的發展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。
RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線，具體規格要求：
· 接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
· 驅動器能輸出±7V的共模電壓
· 輸入端的電容≤50pF
· 在節點數為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動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有關）
· 接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號"0"；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號"1"）
因為RS-485的遠距離、多節點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業應用中數據傳輸的首選標準。基于此，RS-485的自動化領域的應用非常廣泛，但是在實際工程中RS-485總線運用仍然存在著很多問題，影響了工程的質量，為工程施工帶來了很多的不方便。
1、阻抗不連續
　信號在傳輸過程中如果遇到阻抗突變，信號在這個地方就會引起反射，這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另一種媒質要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就是盡量保持傳輸線阻抗連續，實際工程中在電纜線的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻的原理就是為了減小信號反射。
　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，就能有效的減少信號反射。但是，在實現應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環境有關，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反射還會存在。信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤。這種情況是無法改變的，只有盡量去避免它。
2、RS-485接地問題
僅僅用一對雙絞線將各個接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號并不需要對于某個參照點來檢測信號系統，只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應該注意的是收發器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。當共模電壓超出此范圍，就會影響通信的可靠直至損壞接口。如圖1所示，當發送器A向接收器B發送數據時，發送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統具有各自獨立的接地系統存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度(十幾伏甚至數十伏)，并可能伴有強干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線上產生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設備。

3、RS-485的總線結構及傳輸距離
RS-485支持半雙工或全雙工模式。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構不支持環形或星形網絡，最好采用一條總線將各個節點串接起來。從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線經，從發生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度是數據信號速率的函數，這個長度數據主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在1200M。實際上，在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。
3方案設計
以下以一個例子來說明RS-485的應用：
　　一個大學食堂有三層，有12臺POS機，每層樓有4臺POS機，他們是RS-485的接口，控制POS機的電腦接RS-232接口,傳統的解決方案是：

采用這種老式布線結構存在以下幾種缺陷。
1>、RS-485總線受差分信號傳輸特點的限制總線長度一般在1200米左右，采用這種老式布線結構，可布線覆蓋面積十分有限（一般為幾百平方米）。有時為了拓寬傳輸距離不得不采用中繼器。同時亦加大了布線過程中出現問題的可能性。
2>、一般大型考勤門禁系統都裝有為數眾多的門禁控制器，采用這種老式布線結構，所有門禁控制器共享同一根RS-485總線。當任一控制器RS-485端口短路，都會影響整個門禁系統的正常工作。在眾多的門禁控制器中查找故障所在，不僅加大了工作量，也增加了維護成本。
3>、由于RS-485總線布線比較復雜，在考勤門禁系統中絕大部分工程費用和時間都浪費在布線環節。而RS-485總線布線的復雜程度與總線的長短和設備的掛接數目有很大關系。特別在大型系統中顯得由為突出。采用這種老式布線結構無疑加大了布線的難度。
4>、由于地理環境的原因，在相距一定距離的設備之間總是存在地電位不平衡的問題。有時即使距離很近問題依然存在。這種環境造成的因素，在老式布線結構中很難綜合解決。甚至造成整個系統無法啟動。雖然通過處理地電位可暫時解決部分問題，但時隔不久同樣問題又會再次出現。
　針對上面出現的一些缺陷，兆越公司開發出一款新產品，它采用獨特的等位分差隔離技術和高效的總線分割集中技術能有效解決工程布線中常見的地電位差異、阻抗匹配及雷擊問題。用戶可以輕易改善RS-485/RS-422總線結構，分割網段，提高通信可靠性。當雷擊或者設備故障產生時，出現問題的網段將被隔離，以確保其他網段的正常工作。重新的解決方案如下：

應用此方案可以有效的解決采用第一種方案存在的缺陷，它有如下幾點好處：
1>、采用星型結構連接RS-485總線，在有效利用接口的情況下布線覆蓋面積大大提高（一般為幾平方千米）。
2>、有八個下位機端口，且每個端口都具有短路保護功能，并能工作在關斷模式。對大型考勤門禁系統，通過分攤門禁控制器到八個端口不僅可以減少單個RS-485總線的負荷，同時有效的提高了整個系統的可靠性。當任一控制器RS-485端口短路，只會影響其所在RS-485總線系統，不會影響其他接口連接的RS-485系統的正常工作。
3>、可以使得RS-485系統布線過程變的簡單和快潔，從而有效的減少了工程的費用和時間。
4>、各端口間存在3000V隔離。對于由環境問題帶來的布線問題，只需把問題顯著的區域用單獨端口進行連接集中處理，將會有效的解決地電位帶來的布線問題。
4、注意事項
　 4．1 很多人往往都誤認為RS-422串行接口是RS-485串行接口的全雙工版本，實際上，它們在電器特性上存在著不少差異，共模電壓范圍和接收器輸入電阻不同使得該兩個標準適用于不同的應用領域。RS-485串行接口的驅動器可用于RS-422串行接口的應用中，因為RS-485串行接口滿足所有的RS-422串行接口性能參數，反之則不能成立。對于RS-485串行接口的驅動器，共模電壓的輸出范圍是-7V和+12V之間；對于RS-422串行接口的驅動器，該項性能指標僅有±7V。RS-422串行接口接收器的最小輸入電阻是4KΩ；而RS-485串行接口接收器的最小輸入電阻則是12KΩ。
　　4．2 RS-485總線在實際工程中總是出現一些接線的問題，注意，在接傳輸線時一定要用同樣的雙絞線或者同樣的電纜，有些人一段使用雙絞線，由于雙絞線長度不夠或者在中間接上一段電話線或者是其他的線，這樣阻抗就不連續，產生很大的反射信號，通信的是不能正常進行的。
5、結束語
　　RS-485總線，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但還需要考慮合理的應用和網絡布局、連續的信號通道、周全的保護措施等，在設計之初就應有總體規劃。隨著光纖通信和以太網技術的發展，RS-485總線的數據傳輸距離會更遠。

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