介紹
各種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議的范圍從RS-232(EIA/TIA-232)到千兆以太網(wǎng)等等。盡管每種協(xié)議都適合特定的應(yīng)用,但在所有情況下,您都必須考慮物理 (PHY) 層的成本和性能。本文重點(diǎn)介紹RS-485(EIA/TIA-485)協(xié)議以及最適合該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。它還顯示了根據(jù)布線、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件選擇來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)速率的方法。
在本應(yīng)用筆記中,我們將使用“RS”命名法來(lái)指代相應(yīng)的ANSI EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)。
協(xié)議定義
什么是RS-485?它與其他串行協(xié)議相比如何,它們最適合哪些應(yīng)用?以下概述比較了RS-485 PHY與RS-232和RS-422的特性和功能。[1]
RS-232 是一種標(biāo)準(zhǔn),最初是調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)和其他 PC 外圍設(shè)備的通信指南。它提供了一個(gè)波特率高達(dá)20kbps的單端通道,后來(lái)增強(qiáng)到1Mbps。其他RS-232規(guī)格包括標(biāo)稱±5V發(fā)射和±3V接收(空格/標(biāo)記)信號(hào)電平、2V共模抑制、2200pF最大電纜負(fù)載電容、300Ω最大驅(qū)動(dòng)器輸出電阻、3kΩ最小接收器(負(fù)載)阻抗和100ft(典型值)最大電纜長(zhǎng)度。RS-232系統(tǒng)僅是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的。任何RS-232系統(tǒng)都必須適應(yīng)這些限制。
RS-422是單向、全雙工標(biāo)準(zhǔn),適用于電氣噪聲工業(yè)環(huán)境。它指定具有多個(gè)接收器的單個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。信號(hào)路徑是差分的,可處理高于 50Mbps 的比特率。接收器的共模范圍為±7V,驅(qū)動(dòng)器輸出電阻最大為100Ω,接收器輸入阻抗可低至4kΩ。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)
最初的ANSI/EIA/TIA-485-A-1998標(biāo)準(zhǔn)于1998年232月獲得批準(zhǔn),以解決RS-422和RS-485的缺點(diǎn)。RS-422是一種雙向半雙工標(biāo)準(zhǔn),具有多個(gè)“總線”驅(qū)動(dòng)器和接收器,其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都可以放棄總線。它符合所有RS-7規(guī)范,但更堅(jiān)固,包括更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-12V至+<>V)。
接收器輸入靈敏度為±200mV,這意味著要識(shí)別標(biāo)記或空格,接收器必須看到高于+200mV或低于-200mV的信號(hào)電平。最小接收器輸入阻抗為12kΩ(稱為單位負(fù)載),驅(qū)動(dòng)器輸出電壓最小±1.5V,最大值±5V。
驅(qū)動(dòng)容量為32個(gè)單位負(fù)載,即32個(gè)12kΩ接收器并聯(lián)。許多接收器設(shè)計(jì)有更高的輸入阻抗,允許一條總線上的單位負(fù)載數(shù)量也更高??偩€上可以連接任意數(shù)量的接收器,前提是提供給驅(qū)動(dòng)器的組合(并聯(lián))負(fù)載不超過(guò)32個(gè)單位負(fù)載(375Ω)。允許的驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗為54Ω(最大值),在典型的24AWG雙絞線環(huán)境中,為32個(gè)單位負(fù)載,與兩個(gè)120Ω端接器并聯(lián)。
RS-485仍然是POS、工業(yè)和電信應(yīng)用中使用最廣泛的協(xié)議。寬共模范圍支持在更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度和嘈雜的環(huán)境中(如工廠地板)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外,接收器的高輸入阻抗允許將更多設(shè)備連接到線路上。
從485年開始,RS-1998標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大數(shù)據(jù)速率為10Mbps,可以在最大電纜長(zhǎng)度為40英尺(12米)的情況下實(shí)現(xiàn)。電纜的絕對(duì)最大距離為 4000 英尺(1.2 公里),此時(shí),數(shù)據(jù)速率限制為 100kbps。這些是原始標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)格,到本應(yīng)用筆記發(fā)布時(shí),該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有20年的歷史了!涉及RS-485的現(xiàn)代應(yīng)用通常具有10Mbps的幾倍數(shù)據(jù)速率,并且需要更長(zhǎng)的距離更高的速度。新的RS-485收發(fā)器和電纜正在推動(dòng)RS-485的極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其原始定義。
專業(yè)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線[2]是主要用于工業(yè)廠房的總線,是RS-485的擴(kuò)展。工廠布線系統(tǒng)測(cè)量傳感器,控制執(zhí)行器,收集和顯示數(shù)據(jù),并在過(guò)程控制系統(tǒng)與傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
Profibus和現(xiàn)場(chǎng)總線是整體系統(tǒng)描述;RS-485是支持它們的網(wǎng)絡(luò)的PHY層的標(biāo)準(zhǔn)。Profibus和現(xiàn)場(chǎng)總線的規(guī)格略有不同。Profibus 需要 2.0V 最小差分輸出電壓和 54Ω 最大總線負(fù)載。現(xiàn)場(chǎng)總線要求最小差分輸出電壓為1.5V,最大負(fù)載總線為54Ω。Profibus可以傳輸高達(dá)12Mbps的數(shù)據(jù),而現(xiàn)場(chǎng)總線則為500kbps。在Profibus應(yīng)用中,偏斜和電容容差更加嚴(yán)格。
這些協(xié)議最適合在哪里?
RS-232:與調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)和其他 PC 外圍設(shè)備的通信。典型的最大電纜長(zhǎng)度為 100 英尺。
RS-422:只需要一個(gè)總線主站(驅(qū)動(dòng)器)的工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用包括過(guò)程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(金屬制造)、HVAC、安全、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。
RS-485:需要多個(gè)總線主控器/驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用與RS-422類似:過(guò)程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車、金屬制造)、HVAC、安全、電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制。
哪些因素限制了RS-485數(shù)據(jù)速率?
以下因素會(huì)影響在給定數(shù)據(jù)速率下可以可靠傳輸?shù)木嚯x:
電纜長(zhǎng)度:在給定頻率下,信號(hào)被電纜衰減為長(zhǎng)度的函數(shù)。
電纜結(jié)構(gòu):Cat5,Cat5e和Cat6 24AWG雙絞線是用于RS-485系統(tǒng)的非常常見的電纜類型。在電纜上添加屏蔽可增強(qiáng)抗噪性,從而提高給定距離的數(shù)據(jù)速率。
電纜特性阻抗:分布式電容和電感可減慢邊沿,降低噪聲容限并損害“眼圖模式”。分布式電阻直接衰減信號(hào)電平。
驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗:如果過(guò)高,則會(huì)限制驅(qū)動(dòng)能力。
接收器輸入阻抗:如果太低,則會(huì)限制驅(qū)動(dòng)器可以處理的接收器數(shù)量。
端接:長(zhǎng)電纜可以像傳輸線一樣。用其特性阻抗端接電纜可減少反射并提高可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。
噪聲容限:越大越好。
驅(qū)動(dòng)器壓擺率:較慢的邊沿(較低的壓擺率)允許在更長(zhǎng)的電纜上進(jìn)行傳輸,但會(huì)降低可實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與多點(diǎn):總線上第三個(gè)或更多設(shè)備創(chuàng)建的存根限制了可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率,有時(shí)甚至很嚴(yán)重。
一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
MAX3469
讓我們考慮一個(gè)實(shí)際的有線系統(tǒng)(圖1)。所示電纜通常用于RS-485系統(tǒng):EIA/TIA/ANSI 568 Cat5雙絞線。對(duì)于 300 英尺到 900 英尺的電纜長(zhǎng)度,獲得的數(shù)據(jù)速率范圍為 1Mbps 至 35Mbps。
圖1.測(cè)試設(shè)置。
對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),收發(fā)器的制造商通常不如RS-485驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大數(shù)據(jù)速率和最遠(yuǎn)距離重要。Maxim驅(qū)動(dòng)器(本例中為MAX3469,圖3)和另一家制造商的等效驅(qū)動(dòng)器(圖2)的眼圖可以了解收發(fā)器隨距離和信號(hào)速度的變化能力。
圖2.RS-485驅(qū)動(dòng)器件的眼圖模式與Maxim的MAX3469相當(dāng)。[3]
圖3.Maxim MAX3469的眼圖。
通過(guò)觀察驅(qū)動(dòng)器的差分輸出來(lái)測(cè)試信號(hào)完整性。設(shè)置示波器以查找 80mV 和 -400mV 閾值之間的觸發(fā)點(diǎn)。(之所以選擇這些閾值,是因?yàn)闇y(cè)試中使用的接收器的輸入范圍為20mV至-200mV,外加噪聲容限。當(dāng)脈沖(比特)開始“一起運(yùn)行”時(shí),眼圖可用于確定失真、噪聲和衰減對(duì)稱為碼間干擾(ISI)的參數(shù)的總體貢獻(xiàn)。
ISI 強(qiáng)制您將比特率降低到允許充分區(qū)分脈沖的水平。圖1電路的測(cè)試表明,觸發(fā)點(diǎn)和眼圖模式之間存在一致且清晰的相關(guān)性。眼圖表現(xiàn)出50%的抖動(dòng),使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體應(yīng)用筆記977中記錄的方法測(cè)量[4].采集數(shù)據(jù)測(cè)量±100mV差分(圖4)和0V差分(圖5)下的抖動(dòng)。
圖4.給定比特率和電纜長(zhǎng)度的抖動(dòng)圖。抖動(dòng)在±100mV差分下測(cè)量。
圖5.給定比特率和電纜長(zhǎng)度的抖動(dòng)圖。抖動(dòng)在0V差分下測(cè)量。
對(duì)于給定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,與特定電纜長(zhǎng)度相關(guān)的比特率可以用±100mV差分(圖4)或0V差分(圖5)表示。接收器輸入信號(hào)在+100mV至-100mV之間,確保接收器正確切換,因?yàn)椴罘中盘?hào)的輸入門限小于200mV。(圖5中的數(shù)據(jù)僅適用于理想接收器,該接收器在0V差分輸入下切換。
眼圖和故障模式
在 39Mbps 和 340 英尺的 Cat5 電纜下,圖 2 的驅(qū)動(dòng)器輸出呈現(xiàn)出一種眼圖模式,其中信號(hào)在眼圖中間交叉,這種情況表明可能存在位錯(cuò)誤。然而,在相同數(shù)據(jù)速率下,Maxim器件沒有出現(xiàn)這種情況(圖3)。Maxim收發(fā)器具有對(duì)稱的輸出邊沿和較低的輸入電容,因此性能更好。
對(duì)于上述測(cè)試,這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序具有可比性。然而,在更長(zhǎng)的電纜上,數(shù)據(jù)速率更高,Maxim驅(qū)動(dòng)器更可靠。圖9給出了Maxim器件在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的速度和距離的估計(jì)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),位錯(cuò)誤的出現(xiàn)大約對(duì)應(yīng)于50%的抖動(dòng)限制。
來(lái)自各種來(lái)源的研究數(shù)據(jù)
普遍接受的全行業(yè)距離和數(shù)據(jù)速率最大值是 4000 英尺和 10Mbps,但(當(dāng)然)不是同時(shí)。然而,將最新設(shè)備與精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合,可以在更長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度上提供更高的吞吐量。
預(yù)加重[5]是一種提高數(shù)據(jù)速率與距離關(guān)系的技術(shù),適用于 RS-485 通信(圖 6)。不帶驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重或接收器均衡的RS-485收發(fā)器在以10Mbps的固定數(shù)據(jù)速率工作時(shí),通常會(huì)在1700英尺的電纜上獲得1%的抖動(dòng)。以該速率添加驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重可將距離加倍至 3400 英尺,而不會(huì)增加抖動(dòng)。作為替代方案,預(yù)加重可以提高給定距離的數(shù)據(jù)速率。在沒有預(yù)加重的情況下以 400kbps 運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)器通常在 10 英尺處獲得 4000% 的抖動(dòng)。添加預(yù)加重可讓您在該距離內(nèi)傳輸高達(dá) 800kbps。
圖6.原始標(biāo)準(zhǔn):數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系。
計(jì)算可靠傳輸?shù)淖畲箅娎|長(zhǎng)度的另一種方法是使用制造商提供的Cat5電纜衰減與頻率表。允許衰減的一般規(guī)則是電纜上的-6dBV。該值可以與制造商的衰減數(shù)據(jù)相結(jié)合,以計(jì)算給定頻率下的最大電纜長(zhǎng)度。
MAX14783E
MAX14783E設(shè)計(jì)用于高速(高達(dá)42Mbps)多點(diǎn)工作,具有高達(dá)±35kV HBM的高ESD保護(hù)。該器件具有 12kO 輸入阻抗,允許總線上最多連接 32 個(gè)收發(fā)器 (負(fù)載)。保持多點(diǎn)操作并提高最大數(shù)據(jù)速率,為可靠通信提供了更強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
MAX22500E
MAX22500E、MAX22501E和MAX22502E是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、半(MAX22500E/MAX22501E)和全雙工(MAX22502E)收發(fā)器,集成預(yù)加重(僅MAX22500E和MAX22502E),優(yōu)化數(shù)據(jù)速率高達(dá)100Mbps。
MAX22500E(圖6)具有由外部電阻設(shè)置的預(yù)加重間隔度。邏輯接口采用與RS-485收發(fā)器不同的電源供電,允許在1.8V至5V之間實(shí)現(xiàn)靈活的邏輯電平。
MAX22501E(圖7)不包括預(yù)加重或靈活的邏輯電平,但提供簡(jiǎn)單的高速RS-485接口,數(shù)據(jù)速率高達(dá)100Mbps。該產(chǎn)品最適合短距離電纜,預(yù)加重的好處可以忽略不計(jì)。
圖7.MAX22500E和MAX22501E應(yīng)用電路
MAX22502E(圖8)為全雙工收發(fā)器,最大數(shù)據(jù)速率與MAX100E和MAX22500E相同,為22501Mbps。它還具有由外部電阻器設(shè)置的集成預(yù)加重功能。
圖8.MAX22502E應(yīng)用電路
是否需要預(yù)加重取決于電纜長(zhǎng)度。長(zhǎng)電纜會(huì)使接收端的信號(hào)失真,從而導(dǎo)致ISI。預(yù)加重通過(guò)提高每個(gè)過(guò)渡沿的差分信號(hào)幅度來(lái)降低ISI,從而抵消電纜的高頻衰減。短電纜不需要預(yù)加重,但在使用短電纜時(shí),只會(huì)降低眼圖上的抖動(dòng)。注意,圖22500中MAX8E的數(shù)據(jù)表明了這種關(guān)系。這些測(cè)試顯示了可以通過(guò)一段 TIA/EIA-568-B Cat6 電纜傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率,同時(shí)保持誤碼率低于每 100 億位 (BER<1E-08) 的一個(gè)錯(cuò)誤。
圖9.MAX22500E的最大數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的關(guān)系
提示和技巧
可用的RS-485收發(fā)器具有多種可增強(qiáng)系統(tǒng)性能的特性:
預(yù)強(qiáng)調(diào):減少長(zhǎng)距離通信的ISI。
減少單位負(fù)載接收器:低負(fù)載器件可低至 1/8 單位負(fù)載,可在一條總線上實(shí)現(xiàn)多達(dá) 256 個(gè)器件。此類器件還可以實(shí)現(xiàn)較低的總線負(fù)載,從而允許更長(zhǎng)的電纜或更高的數(shù)據(jù)速率。
高速設(shè)備:目前可用的驅(qū)動(dòng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)速率,特別注意低傳播延遲和低偏斜。
ESD保護(hù):這不會(huì)提高數(shù)據(jù)速率,但可能是工作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)速率為零(損壞)的系統(tǒng)之間的差異。可用器件提供高達(dá) ±35kV 的內(nèi)置 ESD 保護(hù)。
正確接線[6]RS-485規(guī)定了差分傳輸,除了一根地線(通常是24AWG雙絞線)外,還需要兩根信號(hào)線來(lái)傳輸信號(hào)。兩根信號(hào)線以差分方式傳輸信號(hào),由于具有出色的共模抑制性能,大大減少了輻射EMI和EMI拾取的問(wèn)題。該導(dǎo)線的共同特性阻抗在100Ω和120Ω之間,這也是用于端接電纜兩端的電阻,以減少反射和其他傳輸線效應(yīng)。圖 10 和 11 顯示了正確接線的系統(tǒng)。
圖 10.單發(fā)送,單接收網(wǎng)絡(luò)。
圖 11.多收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)論
RS-485網(wǎng)絡(luò)可以在電氣噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)考慮數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度之間的權(quán)衡,您可以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng),在數(shù)百米長(zhǎng)的電纜上實(shí)現(xiàn)超過(guò)100Mbps的數(shù)據(jù)速率,并且沒有中繼器。
審核編輯:郭婷
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