485总线的工业设计应用指南
    深圳市天地华杰科技有限公司 （转载）
    作为上世纪80年代早期批准的一个平衡传输标准，RS-485似乎已成为工业界不过时的接口标准。关于它的文献有很多，但对于很少接触接口设计的系统工程师而言，如此海量的文献就有些让人吃不消了。
    本文旨在讨论RS-485标准的主要内容，为初接触它的设计师提供入门指南。研究文末参考的一些附加应用笔记可进一步帮助设计师在短的时间内完成一套可靠的数传设计。
    RS-485标准的用途
    RS-485只定义了用于平衡多点传输线的驱动器和接收器的电特性，因此很多更高层标准都将其作为物理层引用。
    网络拓扑
    总线节点以菊花链或总线拓扑方式联网。(见图1)也就是说，每个节点都通过很短的线头连接到主线缆。该接口总线通常设计为用于半双工传输，也就是说它只用一对信号线，驱动数据和接收数据只能在不同时刻出现在信号线上。
   
    图1：RS-485总线结构(左)与半双工总线结构(右)。
    这就需要通过方向控制信号(例如驱动器/接收器使能信号)控制节点操作的协议，以确保任何时刻总线上都只能有一个驱动器在活动，而必须避免多个驱动器同时访问总线导致总线竞争。
    信号电平
    RS-485驱动器必需在54的负载上提供小1.5V的差分输出，而RS-485接收器则必需能检测到小为200mv的差分输入(见图2)。这两个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此。而稳健性正是RS-485适用于噪声环境的长距离联网的主要原因。
   
    图2：RS-485规定的小总线信号电平。
    线缆类型
    在双绞线上传送差分信号为RS-485应用带来了很大好处。这是因为外部噪声源产生的噪声总是等量耦合进两根信号线中，属于共模噪声，而这能在差分接收器的输入处就被抑制掉。
    工业用RS-485线缆是特性阻抗为120和22AWG的塑封非屏蔽双绞线。图3所示为一对用于半双工网络的UTP线缆的横截面。
   
    图3：RS-485通信线缆示例。
    为了保持网络的电特性，除了网络线缆的连接之外，印制电路板的布线和RS-485设备连接器上的管脚分配需保持两根信号线之间的距离均等且足够靠近。
    总线端接与线头长度
    数据传输线应进行端接，而且线头应尽可能短，以避免传输线上发生信号反射。良好的端接要求终端电阻RT与传输线线缆的特征阻抗Z0匹配。RS-485建议采用Z0为120的线缆，因此通常每根线缆末端都采用120的电阻进行端接。
   
   
    图4：利用共模噪声滤波器对RS-485进行端接。
    噪声环境下的应用往往用两个RC低通滤波器替代这些120的电阻，以增强对共模噪声的滤波(见图4)。值得注意的是，两个滤波器的电阻值应相等(好采用精密电阻)以确保两个滤波器具有相同的滚降频率。电阻容差过大会导致滤波器转角频率出现偏差，而导致共模噪声转换为差模噪声，使接收器的抗噪性能降低。
    线头的电长度(即收发器与线缆干线之间的距离)应小于驱动器输入信号上升时间的1/10。表1列出了图4中不同驱动信号上升时间对应的大线缆线头长度。
   
    表1：不同信号上升时间下的线头长度和未端接线缆长度。
    故障保险
    故障保险(failsafe)是指接收器可以在无输入信号时保证一个确定的输出状态。可能导致信号丢失的原因有三种：1)电路开路：由电线断线或收发器从总线上断开导致；2)电路短路：绝缘失效导致传输差分对信号的两根线互相短路；3)总线空闲：总线上没有驱动器工作。
    由于以上几种条件可能导致传统的接收器在输入信号为零时输出随机的状态，因此现代收发器设计中均为开路、短路和总线空闲状态下的故障保险设计了专门的偏置电路。当输入信号为零时，该电路会使接收器的输出保持在一个确定的状态。
    尽管这些带故障保险的收发器宣称能减少元器件个数，但它们10mV的坏情况噪声裕度使外部故障保险电路的设计成为必要。
    外部故障保险电路包含一个电阻分压器，用以产生足够的差分总线电压，将接收器的输出驱动至一个确定的状态。为确保电路具备足够的噪声裕度，VAB在200mV接收器输入阈值之外还必需能涵盖大差分噪声。按下式计算故障保险偏置电阻RB在坏情况条件下(即低电压，大噪声条件下)的阻值：
   
    其中VAB=200mV + VNoise。在小总线电压为4.75V，VAB=0.25V并且Zo=120时，RB的计算结果为528。在RT上串联两个523的电阻(见图5左)，就在总线一端建立起一个故障保险电路。
   
    图5：总线空闲的外部故障保险偏置。
    由于驱动器依靠电流输出，因此必需为输出电流提供一个负载。为总线增加收发器和故障保险电路同时也增大了所需的总负载电流。为了估计总线允许的大负载个数，RS-485定义了一个假想的单位负载(UL)，一个UL代表的负载阻抗约为12k。符合标准的驱动器必需能驱动32个这样的单位负载。如今的收发器往往采用的是减小了的单位负载，例如1/8UL，因此总线上允许连接的收发器个数多达256个。
    由于故障保险偏置电路就占据了总线负载中多达20UL，因此总线上允许的大接收机个数就减少了。因此，当采用1/8的收发器时，总线上多能连接96个设备。即 。
    数据率与总线长度的关系
    大总线长度受传输线损耗与某个数据率下的信号抖动限制。在抖动达到波特周期的10%或以上时，数据可靠性会急剧下降。图6给出了传统RS-485驱动器在10%信号抖动下，不同数据率特性对应的线缆长度。