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              來看!關于RS-485的10個問答

              智能儀表隨著80年代初單片機技術的成熟而發展起來,世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷,這歸結于企業信息化的需要,而企業在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯網通信接口。

              最初是數據模擬信號輸出簡單過程量,后來儀表接口是RS232接口,這種接口可以實現點對點的通信方式,但這種方式不能實現聯網功能,隨后出現的RS485解決了這個問題。


              01、RS-485的定義

              RS-485是一個定義平衡數字多點系統中的驅動器和接收器的電氣特性的標準,該標準由電信行業協會和電子工業聯盟定義。使用該標準的數字通信網絡能在遠距離條件下以及電子噪聲大的環境下有效傳輸信號。RS-485使得連接本地網絡以及多支路通信鏈路的配置成為可能。


              02、RS-485接口與RS-232-C接口相比有何特點?

              由于RS-232-C接口標準出現較早,難免有不足之處,例如:
              接口的信號電平值較高,易損壞接口電路的芯片;傳輸速率較低;抗噪聲干擾性弱;傳輸距離有限。

              針對RS-232-C的不足,出現了一些新的接口標準,RS-485就是其中之一,它具有以下特點:
              (1)RS-485的電氣特性:邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了,就不易損壞接口電路的芯片,且該電平與TTL電平兼容,可方便與TTL電路連接。
              (2)RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。
              (3)RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合,抗共模干能力增強,即抗噪聲干擾性好。
              (4)RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺,實際上可達3000米,另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發器,即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。
              (5)因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性,長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網絡,一般只需二根連線,所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座,與智能終端RS485接口采用DB-9(孔),與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9(針)。


              03、RS-485的網絡安裝注意要點

              RS-485可支持32個節點,多節點構成網絡。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。在構建網絡時,應注意如下幾點:

              1、采用一條雙絞線電纜作總線,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。所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式(a,c,e)和正確的連接方式(b,d,f)。a,c,e這三種網絡連接盡管不正確,在短距離、低速率仍可能正常工作,但隨著通信距離的延長或通信速率的提高,其不良影響會越來越嚴重,主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加,會造成信號質量下降。

              2、應注意總線特性阻抗的連續性,在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續性:總線的不同區段采用了不同電纜,或某一段總線上有過多收發器緊靠在一起安裝,再者是過長的分支線引出到總線。
              總之,應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線。


              04、RS-485的接地問題

              電子系統接地是很重要的,但常常被忽視;接地處理不當往往會導致電子系統不能穩定工作甚至危及系統安全。RS-485傳輸網絡的接地是很重要的,因為接地系統不合理會影響整個網絡的穩定性,尤其是在工作環境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下,對于接地的要求更為嚴格。否則接口損壞率較高。很多情況下,連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接,這種連接方法在許多場合是能正常工作的,但卻埋下了很大的隱患。

              所以,盡管采用差分平衡傳輸方式,但對整個RS-485網絡,必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來,使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線),或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

              值得注意的是,這種做法僅對高阻型共模干擾有效,由于干擾源內阻大,短接后不會形成很大的接地環路電流,對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內阻較低時,會在接地線上形成較大的環路電流,影響正常通信。這時,可以采取以下三種措施:
              (1)如果干擾源內阻不是非常小,可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電壓升高,但只要控制在適當的范圍內就不會影響正常通信。
              (2)采用浮地技術,隔斷接地環路。這是較常用也是十分有效的一種方法,當共模干擾內阻很小時上述方法已不能奏效,此時可以考慮將引入干擾的節點(例如處于惡劣的工作環境的現場設備)浮置起來(也就是系統的電路地與機殼或大地隔離),這樣就隔斷了接地環路,不會形成很大的環路電流。
              (3)采用隔離接口。有些情況下,出于安全或其它方面的考慮,電路地必須與機殼或大地相連,不能懸浮,這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路,但是仍然應該有一條地線將隔離側的公共端與其它接口的工作地相連。


              05、RS-485的網絡失效保護

              RS-485標準規定了接收器門限為±200mV。這樣規定能夠提供比較高的噪聲抑制能力,當接收器A電平比B電平高+200mV以上時,輸出為正邏輯,反之,則輸出為負邏輯。但由于第三態的存在,即在主機在發端發完一個信息數據后,將總線置于第三態,即總線空閑時沒有任何信號驅動總線,使AB之間的電壓在-200~+200mV直至趨于0V,這帶來了一個問題:接收器輸出狀態不確定。如果接收機的輸出為0V,網絡中從機將把其解釋為一個新的啟動位,并試圖讀取后續字節,由于永遠不會有停止位,產生一個幀錯誤結果,不再有設備請求總線,網絡陷于癱瘓狀態。除上述所述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200mV的情況外,開路或短路時也會出現這種情況。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態。


              06、RS-485的瞬態保護

              信號接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用,對于頻率很高的瞬態干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感,因此對于高頻瞬態干擾,接地線實際等同于開路。這樣的瞬態干擾雖然持續時間短暫,但可能會有成百上千伏的電壓。
              實際應用環境下還是存在高頻瞬態干擾的可能。一般在切換大功率感性負載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾,如果不加以適當防護就會損壞RS-485通信接口。對于這種瞬態干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。


              07、采用RS485接口時,傳輸電纜的長度如何考慮?

              在使用RS485接口時,對于特定的傳輸線徑,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。最大電纜長度與信號速率的關系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜(線徑為0.511mm),線間旁路電容為52。5PF/M,終端負載電阻為100歐時所得出。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。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。


              08、RS-485接口通訊時,在什么條件下需要采用終端匹配?電阻值如何確定?如何配置終端匹配電阻?

              在長線信號傳輸時,一般為了避免信號的反射和回波,需要在接收端接入終端匹配電阻。其終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性,與電纜的長度無關。
              RS-485一般采用雙絞線(屏蔽或非屏蔽)連接,終端電阻一般介于100至140Ω之間,典型值為120Ω。在實際配置時,在電纜的兩個終端節點上,即最近端和最遠端,各接入一個終端電阻,而處于中間部分的節點則不能接入終端電阻,否則將導致通訊出錯。


              09、RS-485接口為何在停止通信時接收器仍有數據輸出?

              由于RS-485在發送數據完成后,要求所有的發送使能控制信號關閉且保持接收使能有效,此時,總線驅動器進入高阻狀態且接收器能夠監測總線上是否有新的通信數據。但是由于此時總線處于無源驅動狀態(若總線有終端匹配電阻時,A和B線的差分電平為0,接收器的輸出不確定,且對AB線上的差分信號的變化很敏感;若無終端匹配,則總線處于高阻態,接收器的輸出不確定),容易受到外界的噪聲干擾。當噪聲電壓超過輸入信號門限時(典型值±200mV),接收器將輸出數據,導致對應的UART接收無效的數據,使緊接著的正常通訊出錯;另外一種情況可能發生在打開/關閉發送使能控制的瞬間,使接收器輸出信號,也會導致UART錯誤地接收。
              解決方法:
              (1)在通訊總線上采用同相輸入端上拉(A線)、反相輸入端下拉(B線)的方法對總線進行鉗位,保證接收器輸出為固定的“1”電平;
              (2)采用內置防故障模式的MAX308x系列的接口產品替換該接口電路;
              (3)通過軟件方式消除,即在通信數據包內增加2-5個起始同步字節,只有在滿足同步頭后才開始真正的數據通訊。


              10、分布電容對RS-485總線傳輸性能的影響

              電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導線產生。另外,導線和地之間也存在分布電容,雖然很小,但在分析時也不能忽視。分布電容對總線傳輸性能的影響,主要是因為總線上傳輸的是基波信號,信號的表達方式只有“1”和“0”。在特殊的字節中,例如0x01,信號“0”使得分布電容有足夠的充電時間,而信號“1”到來時,由于分布電容中的電荷,來不及放電,(Vin+)-(Vin-)-還大于200mV,結果使接愛誤認為是“0”,而最終導致CRC校驗錯誤,整個數據幀傳輸錯誤。由于總線上分布影響,導致數據傳輸錯誤,從而使整個網絡性能降低。解決這個問題有兩種方法:
              (1)降低數據傳輸的波特率;
              (2)使用分布電容小的電纜,提高傳輸線的質量。

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