RS-485的使用已有一些時(shí)日，但因其信令、電壓水平及實(shí)現(xiàn)的簡單性， 迄今它仍是一種可用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。很多工程師常選用未針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的現(xiàn)成方案，所用部件超過實(shí)際所需的尺寸，如功耗更高的終端電阻，使EMI問題更加嚴(yán)重。本文討論了幾個(gè)關(guān)鍵因素可以幫助工程師迅速而精準(zhǔn)地選對(duì)正確的方案，還提出了可增強(qiáng)設(shè)計(jì)性能的簡單技巧。
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雖然RS-485的使用已有一些時(shí)日，但因其信令、電壓水平及實(shí)現(xiàn)的簡單性， 迄今它仍是一種可用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)傳感器也因?yàn)檫@些原因仍然在使用這種接口。由于RS-485不是最近出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，很多工程師都選擇使用現(xiàn)成的方案，這些方案并未針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)不到人們期望的性能要求。結(jié)果，所用的部件超過實(shí)際所需的尺寸，如功耗更高的終端電阻，使EMI問題更加嚴(yán)重。本文所討論的幾個(gè)關(guān)鍵因素，可以幫助工程師迅速而精準(zhǔn)地選對(duì)正確的方案。有關(guān)這個(gè)主題已經(jīng)有許多著名的白皮書。本文補(bǔ)充了一些遺漏的細(xì)節(jié)，并提出了可增強(qiáng)設(shè)計(jì)性能的簡單技巧。

圖1：基本RS-485拓?fù)?/p>

電磁干擾問題

有三種基本工具可以幫助設(shè)計(jì)師管理電磁干擾(屏蔽技術(shù)將在文章的最后單獨(dú)說明)。

1．器件速度 2．收發(fā)器工作電壓 3．端接電阻電流

速度

使用的波特率不要超過實(shí)際應(yīng)用的要求，包括收發(fā)器的速度。收發(fā)器有不同的速度選項(xiàng)，它們會(huì)影響信號(hào)的上升/下降時(shí)間。舉例來說，許多RS-485鏈路的速度在1Mbps以下，因此像TI的SN75HVD12DR這樣的器件就是一種好的選擇。對(duì)于128kbps速度的鏈路來說，速度低一些的Intersil器件就足夠。

這些器件上升時(shí)間較慢(例如100ns)， 但對(duì)這些應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，可以最大程度地減少電磁干擾輻 射。因?yàn)轫憫?yīng)速度較慢，也降低了對(duì)附近噪聲源的敏感度。請(qǐng)仔細(xì)閱讀收發(fā)器的規(guī)范說明，因?yàn)樵S多標(biāo)準(zhǔn)器件將運(yùn)行在10Mbps或更快的速度下，比這些鏈路通常所需的速度快得多。

表1：RS-485收發(fā)器及其速度舉例

電壓

電磁干擾幅度與任意信號(hào)的電壓擺幅成正比，因此減小電壓擺幅可以減小因連接而產(chǎn)生的電磁干擾。許多較新器件的額定工作電壓是3.3V，可以滿足RS-485信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。在今天的許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，3.3V要比5V更常用。如果使用更低的電壓，我們需要放棄什么？在這個(gè)電壓下，器件的速度和抗噪聲能力可能會(huì)下降。但如果器件的額定速度滿足要求，并且使用了屏蔽措施，那么3.3V的RS-485信號(hào)通常足夠。需要重申的是，是否需要考慮所有相關(guān)條件并查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，取決于設(shè)計(jì)師。為了抵抗浪涌，要在收發(fā)器輸入端增加一個(gè)電容以避免出現(xiàn)信號(hào)劣化，除非計(jì)算出來的頻率響應(yīng)是信號(hào)速率(1/2波特率)的5-10倍。

RS-485的工作電壓范圍很寬，從200mV接收閾值到10V最大差分信號(hào)。2V峰-峰值通常是推薦的最小驅(qū)動(dòng)電平，3.3V器件滿足這個(gè)條件，同時(shí)又能很好地與5V供電器件連接， 因而能提供合理的信噪比， 特別是對(duì)較短距離的通信來說。記住，如果你需要高速(5MHz以上)，那么你可能需要5V電源，請(qǐng)查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

電流

電磁干擾問題本質(zhì)上就是磁性問題，因此流經(jīng)端接電阻的電流被認(rèn)為是引起電磁干擾的一個(gè)因素。磁性干擾比較難控制，因?yàn)殂~的相對(duì)磁導(dǎo)率大約為1，不管附近是否有屏蔽都可能引起干擾電路的耦合。較低的瞬態(tài)電流可以減少磁性特征，最大限度地減小與鄰近其它電路的耦合。

我們?nèi)绾巫龅竭@點(diǎn)呢？難道端接電阻值不是固定的嗎？是的，只要線纜的“電長”相對(duì)于信號(hào)邊沿速率來 說足夠，它就不是固定的。沒有規(guī)定說不能為了工程上的其它理由而增加這個(gè)值。若關(guān)心的主要問題是敏感度而不是輻射，這個(gè)終端電阻的阻值就越小越好。不過仍然需要進(jìn)行折衷，如同其它所有工程設(shè)計(jì)那樣。比較5V/120Ω系統(tǒng)和3.3V/499Ω系統(tǒng)就能發(fā)現(xiàn)，電流可以減小至1/6。

終端電阻

大多數(shù)人最初知道的電阻默認(rèn)值是120Ω，分別跨接在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端的(+)和(-)數(shù)據(jù)端子上。但120Ω并不總是最好的選擇，選用這個(gè)原始終端原本就是為了匹配商用雙絞線阻抗。不管什么樣的應(yīng)用，即使短距離應(yīng)用，也不要考慮不接終端電阻，因?yàn)樗芴峁┖芎玫目乖肼暷芰ΑＰ枰私拥睦碛捎袃蓚€(gè)：

電纜的“ 電長” 足夠， 能滿足2·tp≥tr/5，其中tp是信號(hào)沿電纜單向傳輸?shù)臅r(shí)間，tr是來自指定驅(qū)動(dòng)器 的信號(hào)上升時(shí)間(10%-90%；請(qǐng)參考后面根據(jù)速度因子計(jì)算的信號(hào)傳輸時(shí)間)。如果電纜的“電長”不夠，那么在調(diào)整終端(Rt)值時(shí)就可以更加靈活。這是選用慢速驅(qū)動(dòng)器來滿足應(yīng)用要求的另一個(gè)理由。

*敏感度： *如果沒有任何端接，SN75HVD12DR的接收器輸入阻抗(單端)估計(jì)在109kΩ左右(基于最大輸 入電流指標(biāo)和引腳上的12V電壓)。這么高的輸入阻抗很容易受到PCB或電纜內(nèi)鄰近信號(hào)的串?dāng)_(如果屏蔽層內(nèi)的電纜超過一對(duì))。通過并聯(lián)端接電阻可以降低這個(gè)阻抗值，最大程度地減小串?dāng)_，但代價(jià)是功耗會(huì)增大。建議做適當(dāng)?shù)恼壑裕肋h(yuǎn)不要放棄“免費(fèi)的”抗噪聲性能，一定要包含一定數(shù)值的終端。

優(yōu)化端接電阻

需要回答的第一個(gè)問題是： 電纜的“電長”夠嗎？然后我們就能確定是否需要將電阻Rt與電纜阻抗匹配。回答這個(gè)問題可以從上面的等式2·tp≥tr/5開始。

加入前面驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間可以得到2·tp≥100ns/5，這樣就得到了最大10ns的信號(hào)傳輸時(shí)間tp。這意味著從驅(qū)動(dòng)器到對(duì)端電纜末端所需時(shí)間不到10ns(在到達(dá)第一個(gè)端接電阻之前)。接下來根據(jù)電纜電介質(zhì)(及其速度因子)計(jì)算如何將這個(gè)要求轉(zhuǎn)換為電纜長度。速度因子是信號(hào)沿著導(dǎo)體/電介質(zhì)傳播的速度與光在真空中傳播速度之比。

VF(速度因子)=1/√εr (εr=相對(duì)介電常數(shù)或介電常數(shù)；例如，聚乙稀，εr=2.25)

因此速度=c·VF或c/√εr

例子：百通公司規(guī)定#9841電纜的速度因子為66%(絕緣體是聚乙稀，由上述公式計(jì)算得到66.6%)。如果沒有規(guī)定VF，可以查找介電材料，然后用上述公式計(jì)算。

先計(jì)算電纜的最大長度(使用上面的100ns驅(qū)動(dòng)器和10ns最大tp)，然后找出與電纜阻抗匹配的端接電阻：

低功耗考慮

在這個(gè)例子中，長度小于1.98m(比如嵌入式應(yīng)用機(jī)箱)的電纜不需要與之相配的端接電阻。那么如何選擇Rt呢？可以不使用。然而如前所述，阻值較低的電阻可以減小敏感度。499Ω是一個(gè)好的起始值。對(duì)于5V信號(hào)，當(dāng)電阻從120Ω變?yōu)?99Ω時(shí)，每個(gè)電阻的靜態(tài)功耗將從208mW下降到50mW。與無端接情況相比，這種做法有助于降低功耗和敏感度，從而實(shí)現(xiàn)魯棒的通信鏈路。

對(duì)于非電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，我們?yōu)槭裁催€要關(guān)心功耗呢？SMT元件在設(shè)計(jì)中已經(jīng)變得非常小。一個(gè)0603 電阻的額定功率是100mW，若降額因數(shù)為50%，留給我們用的功率就只有50mW。499Ω的0603電阻滿足要求，而208mW的原始設(shè)計(jì)需要1210尺寸的電阻。更高阻值的電阻有助于減小設(shè)計(jì)尺寸， 并使鏈路更加魯棒。3.3V/499Ω信號(hào)則允許使用0402的端接電阻。

低功耗也意味著3.3V或5V電壓軌可以不用電荷泵穩(wěn)壓器，這樣可以減少器件數(shù)量，從而降低總成本。舉例來說，凌力爾特公司的LTC3255可以采用4-48V直流輸入，但輸出限制為50mA。

管理共模電壓

雖然RS-485是一種差分網(wǎng)絡(luò)，但要想正確工作，必須滿足有限共模(CM)電壓限制要求。這意味著如果它們彼此呈懸浮態(tài)，則從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要一條地線。共模電壓可能來自數(shù)字信號(hào)(使用二極管/電容)，但一般來說它不抗噪。為了控制從一個(gè)模塊到另一個(gè)模塊的噪聲，可以在地線上串聯(lián)一個(gè)電 感。這樣不僅可以通過任一根數(shù)據(jù)線控制直流共模電壓，還能最大限度地減小射頻回流。通常1μH的電感就可以提供很好的保護(hù)，因?yàn)樗淖杩乖?00MHz頻率時(shí)超過1kΩ，但又不會(huì)因太高而干擾1Mbps或以下的通信。也可以采用共模扼流圈來提供額外的射頻保護(hù)。

屏蔽

控制電磁干擾并不是說所有接地都懸浮于大地之上。一般來說，屏蔽層(如果用的話)的一端會(huì)連到末端的信號(hào)地或具有地線的節(jié)點(diǎn)，而屏蔽層的另一端則處于懸浮狀態(tài)。在有可能發(fā)生嚴(yán)重磁性干擾的情況下，可能要求將屏蔽層的兩端都接地。當(dāng)電纜長度超過10m時(shí)，遠(yuǎn)端的屏蔽接地將被轉(zhuǎn)換為“軟地”(使用電容)，以便通過屏蔽層(連接遠(yuǎn)程地)最大限度地減小低頻干擾。使用電壓源和寄生電容的噪聲模型連接在相對(duì)地、導(dǎo)體和屏蔽層之間，這是一種明智的做法。圖2中為基本的屏蔽構(gòu)建了噪聲模型。

圖2：基本屏蔽結(jié)構(gòu)的噪聲建模

總結(jié)

RS-485實(shí)現(xiàn)了能夠?qū)闺姶鸥蓴_的簡單網(wǎng)絡(luò)，但在應(yīng)用中必須理解各種選項(xiàng)，并運(yùn)用合理的工程原理。在眾多選項(xiàng)中， 不要簡單地選用自己見過或用過的器件。市場(chǎng)上不斷推出新器件，應(yīng)綜合考慮傳輸長度、器件速度、功耗要求以及將使用的電纜類型再做出選擇。正確的選擇有助于設(shè)計(jì)的最后成功。