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作者：德州儀器（TI） RS-485收發(fā)器相關(guān)問(wèn)題已經(jīng)困擾您許久？別擔心��？本文基于德州儀器在線(xiàn)支持社區E2E™內的常見(jiàn)問(wèn)題提供了一些見(jiàn)解，對于想要了解這一既定通信標準的人來(lái)說(shuō)，相信會(huì )為您提供幫助！ 1. 何時(shí)需要在RS-485總線(xiàn)上端接，以及如何正確端接？ RS-485總線(xiàn)端接在許多應用中均很有用，因為此方式有助于提高信號完整性并減少通信問(wèn)題�！岸私印笔侵笇㈦娎|的特征阻抗與端接網(wǎng)絡(luò )匹配，使總線(xiàn)末端的接收器能夠觀(guān)察到最大信號功率。未端接或端接不當的總線(xiàn)將無(wú)法很好的匹配，從而在網(wǎng)絡(luò )末端產(chǎn)生反射，導致整體信號完整性降低。 在網(wǎng)絡(luò )的雙向環(huán)路時(shí)間遠大于信號位時(shí)間時(shí)，無(wú)需終止，因為每次反射到達網(wǎng)絡(luò )末端時(shí)，它們都會(huì )損失能量。但是，對于位時(shí)間基本上不長(cháng)于電纜環(huán)路時(shí)間的應用，為使反射最小化，端接至關(guān)重要。 最基本的端接稱(chēng)為并聯(lián)端接，由單個(gè)電阻組成，如圖1所示。RS-485標準要求標稱(chēng)特性阻抗達到120Ω，因此端接電阻的默認值應為RT = 120Ω。閱讀博文：“RS-485基礎：什么時(shí)候需要端接，以及如何正確執行�！� 
圖1：具有并聯(lián)端接的RS-485總線(xiàn) 2. 什么是故障安全偏置，如何實(shí)現？ 故障安全偏置是確保RS-485接收器不會(huì )因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)的一種方式。電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）-485標準指出：當差分電壓≥+ 200mV時(shí)，RS-485的輸入閾值是邏輯高；差分電壓≤-200mV時(shí)，RS-485的輸入閾值是邏輯低，從而在高低閾值之間保持400mV的不確定狀態(tài)。 可通過(guò)以下兩種方式實(shí)現故障安全偏置： 選擇在接收器中具有內置故障安全輸入閾值的收發(fā)器。 添加外部電阻，以在空載總線(xiàn)上產(chǎn)生外部偏置。 兩種方法都可以確�？偩�(xiàn)上的邏輯高狀態(tài)。閱讀博文：“RS-485基礎：故障安全偏置網(wǎng)絡(luò )的兩種方法。 3. 如何計算RS-485總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數？ RS-485是多點(diǎn)差分總線(xiàn)，意味著(zhù)總線(xiàn)上的所有節點(diǎn)都共享一個(gè)公共傳輸介質(zhì)。隨著(zhù)節點(diǎn)總數增加，每個(gè)驅動(dòng)器上的負載也將隨之增加。 電信行業(yè)協(xié)會(huì )（TIA）/ EIA-485標準創(chuàng )建了一個(gè)假設的單位負載（UL），以幫助計算RS-485總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數。該標準規定：驅動(dòng)器必須能夠在最多32個(gè)單元負載上并行驅動(dòng)至少1.5V差分信號，并在總線(xiàn)的兩端分別連接兩個(gè)120Ω終端電阻。 公式1表示輸入電壓除以漏電電流后最壞情況下的比值來(lái)計算輸入電阻。在確定了節點(diǎn)的輸入電阻后，可使用公式2計算RS-485總線(xiàn)上的最大節點(diǎn)數： 輸入電阻=最大（VIN/Ileakage） （1） 節點(diǎn)數= 32 /輸入電阻 （2） 4. 如何了在恰當時(shí)間需要在節點(diǎn)之間添加一根地線(xiàn)？ 設計遠程數據鏈路時(shí)，必須假設存在一些接地電位差。這些電壓會(huì )給發(fā)射機輸出增加共模噪聲Vn。即使總疊加信號處在接收機的輸入共模范圍內，依靠當地的地電位差作為返回電流的可靠路徑也是不安全的。接地電位差（GPD）超出接收器的共模范圍時(shí)（在長(cháng)電纜和大電流負載的情況下經(jīng)常發(fā)生），需要使用適當的接地技術(shù)。
圖2：遠程節點(diǎn)配置：獨立的接地點(diǎn)（a）；直接連接的遠程接地（b）； 器件接地和本地系統接地的分離（c） 圖2a所示為可能從電氣安裝的不同部分汲取功率的遠程節點(diǎn)。對安裝的任何變動(dòng)（例如在維護工作期間）均可將GPD以至于超出接收器的輸入共模范圍的程度。因此可能會(huì )導致目前正工作的數據鏈路將來(lái)停止運行。 也不建議通過(guò)接地線(xiàn)直接連接遠程接地（圖2b），因為直接連接會(huì )導致大的接地回路電流作為共模噪聲耦合到數據線(xiàn)。 為實(shí)現遠程接地的直接連接，RS-485標準建議通過(guò)插入電阻器將設備接地與本地系統接地分開(kāi)（圖2c）。雖然這種方法降低了環(huán)路電流，但由于存在一個(gè)大接地環(huán)路使數據鏈路對環(huán)路其他地方產(chǎn)生的噪聲保持敏感。因此，尚未建立穩定的數據鏈路。 要在強健的RS-485數據鏈路上遠距離承受高達數千伏的GPD，最佳方法是將總線(xiàn)收發(fā)器的信號和電源線(xiàn)與其本地信號和電源進(jìn)行電流隔離。這種情況下，電源隔離器（例如隔離的DC / DC轉換器）和信號隔離器（例如數字電容隔離器）可防止電流在遠程系統接地之間流動(dòng)，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。 5. RS-485的長(cháng)度與速度建議值是多少？ 在額定的數據速率下，最大總線(xiàn)長(cháng)度受限于傳輸線(xiàn)損耗和信號抖動(dòng)。由于在波特率為10％或以上的抖動(dòng)，數據可靠性急劇下降，因此圖3所示為傳統RS-485電纜在信號抖動(dòng)10%的情況下的電纜長(cháng)度與數據速率特性。
圖3：電纜長(cháng)度與數據速率建議 在圖3上，標有1號的圓圈代表電纜長(cháng)度較短時(shí)的高數據速率區域。此處，可忽略傳輸線(xiàn)的損耗。數據速率主要取決于驅動(dòng)器的上升時(shí)間。盡管該標準建議使用10 Mbps，但如今的快速接口電路可以高達50 Mbps的數據速率運行。 圖3中的紅色2號代表從短數據線(xiàn)到長(cháng)數據線(xiàn)的過(guò)渡。必須考慮較長(cháng)傳輸線(xiàn)的損耗。因此，隨著(zhù)電纜長(cháng)度的增加，數據速率必須降低。根據經(jīng)驗，線(xiàn)路長(cháng)度[m]與數據速率[bps]的乘積應為107。 紅色的3代表低頻范圍，其中電纜串聯(lián)電阻和線(xiàn)路端接的相互作用會(huì )導致信號衰減。在某個(gè)點(diǎn)，信號的振幅變得比接收機能夠正常檢測到的幅度要�。床怀^(guò)VIT閾值）。 6. 如何估計RS-485的功耗？ 要計算功耗，可將功率分為幾部分。當器件在沒(méi)有外部負載的情況下通電時(shí)，功耗將用于集成電路本身。如果在輸出引腳上增加負載，則驅動(dòng)負載的功率將從器件中抽取。由于RS-485具有差分信號，因此負載通常添加在A(yíng)和B引腳之間。 在圖4中，藍色軌跡，PDic，是器件消耗的功率。對于低數據速率，功耗主要來(lái)自電阻負載（紅色跡線(xiàn)），PDdc。對于高數據速率，需考慮電容性負載的功耗（綠色跡線(xiàn)）PDac。
圖4：計算功耗扇區 公式3計算總功耗為： PDtotal = PDic + PDdc + PDac (3) 如需計算總功耗，必須首先計算出每個(gè)部分的功率。器件功耗參見(jiàn)公式4，其中靜態(tài)電源電流Icc在數據手冊中指定： PDic = Vcc*Icc (4) 如果將電阻性負載置于總線(xiàn)上，驅動(dòng)器會(huì )在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓（Vod），如公式5和6所示，其中C是寄生電容，它包括收發(fā)器的電容、負載的電容和跡線(xiàn)電容。數據頻率f也包括在計算中。 PDdc = Vcc*I – I2*R = (Vcc – I*R)*I (5) PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod (6) 閱讀博文：“如何計算高速RS-485收發(fā)器的功耗”。 7. 如何保護RS-485接口免受靜電釋放（ESD）影響？ ESD保護有多種類(lèi)型，包括人體模型、國際電工委員會(huì )（IEC）接觸放電和IEC氣隙放電。如果一個(gè)收發(fā)器具有集成了IEC ESD（例如德州儀器的THVD1450或THVD1500），則無(wú)需外部組件就可在指定收發(fā)器的電平上保護RS-485接口免受ESD的影響。 例如，在沒(méi)有任何外部元件的情況下，THVD1450可以支持18-kV IEC 61000-4-2接觸放電。市場(chǎng)上許多器件都沒(méi)有這種集成，因此需要外部瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。閱讀博文：“如何根據額定電壓為RS-232、RS-485和CAN選擇TVS二極管�！� 8. 如何了解是否需要外部TVS二極管？ 工業(yè)網(wǎng)絡(luò )必須在惡劣的環(huán)境中可靠運行。由ESD、感應負載的切換或雷擊引起的電氣過(guò)應力瞬變會(huì )破壞數據傳輸并損壞總線(xiàn)收發(fā)器，除非采取有效措施來(lái)減少瞬態(tài)影響。 德州儀器器件已根據以下標準進(jìn)行了測試： IEC 61000-4-2的ESD抗靜電測試，模擬了操作員直接向相鄰電子部件施加靜電。 THVD1500和THVD1450已通過(guò)此標準測試。 IEC 61000-4-4-4的電氣快速瞬態(tài)(EFT)或突發(fā)抗擾度測試，模擬了因感應負載中斷、繼電器觸點(diǎn)彈跳等引起的日常開(kāi)關(guān)瞬變。THVD1450和THVD1550已通過(guò)此標準測試。 就電流和持續時(shí)間而言，電涌抗擾度測試IEC 61000-4-5是最嚴格的瞬態(tài)抗擾度測試，約比ESD和EFT測試時(shí)間長(cháng)1000倍。THVD1429和THVD1419已通過(guò)此標準測試。 德州儀器的THVD系列最新的RS-485收發(fā)器根據這些標準集成了各種保護級別，且無(wú)需額外的外部保護。保護級別在器件數據表中指定。 9. 如何防止高電壓短路？ 在許多RS-485應用中，存在著(zhù)不慎將通信線(xiàn)連接到電源線(xiàn)的風(fēng)險。這種風(fēng)險在現場(chǎng)安裝的系統中特別高，如HVAC系統、照明控制或其他樓宇自動(dòng)化應用等現場(chǎng)安裝的系統中。這些情況下，必須確保RS-485收發(fā)器不會(huì )損壞，以避免昂貴的現場(chǎng)退貨和重新安裝風(fēng)險。 雖然像TVS二極管之類(lèi)的箝位元件能夠限制瞬態(tài)事件中收發(fā)器觀(guān)察到的最大電壓，但它們通常無(wú)法防止較長(cháng)時(shí)間的應力（例如DC短路）。為防止這些情況，需要一些串聯(lián)限流元件。一種典型的方法是使用正溫度系數（PTC）電阻器。該電阻在標稱(chēng)條件下的電阻較低，但在故障條件下，當大電流流過(guò)時(shí)（例如，流過(guò)TVS等箝位裝置），電阻就會(huì )變大。德州儀器參考設計“保護RS-485收發(fā)器免受持續高電壓/電氣過(guò)應力的參考設計”中可看到使用THVD1500收發(fā)器的實(shí)現方式的示例。 但是，使用這些額外的串聯(lián)限流和并聯(lián)電壓箝位元件可能會(huì )很昂貴，并占用寶貴的PCB空間。因此，大多數情況下，更優(yōu)化的方法是使用能夠耐受這些高故障電壓而無(wú)需外部保護的收發(fā)器。THVD2450就是一個(gè)示例。其額定承受直流短路電壓可達+/- 70V。 有關(guān)隔離式RS-485收發(fā)器的具體信息，請查看FAQ博文：“有關(guān)隔離式RS-485收發(fā)器的七大問(wèn)題�！� |
