電平標(biāo)準(zhǔn)RS485接口學(xué)習(xí)
一、RS485概述
1)RS485:其主要特征:平衡接口、多點(diǎn)multipoint應(yīng)用(多達(dá)32個(gè)單位負(fù)載)、半雙工/雙工通信、-7V到+12V總線共模范圍、最大數(shù)據(jù)速率10Mbps@10m,最長(zhǎng)線纜長(zhǎng)度1000米以上@100Kbps。
2)RS485可認(rèn)為僅定義“物理層”標(biāo)準(zhǔn),其僅定義了相關(guān)的電氣特性,因此也可被其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)借用為其物理層接口,同時(shí)RS485是為了解決RS422多點(diǎn)拓?fù)鋯?wèn)題而生,其電氣特性兼容RS422接口,其收發(fā)器大部分可用于RS422的接口。
3)RS485相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn): TIA/EIA-485規(guī)范,全稱平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接收器電氣特性,英文Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems。
4)使用場(chǎng)景:支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器多個(gè)接收器,具有高魯棒性和可靠性,在全球嘈雜工業(yè)環(huán)境中接口應(yīng)用廣泛。
二、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
RS485是多點(diǎn)(multipoint)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與M-LVDS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似,這種方式要求在布線過(guò)程中使用類似于菊花鏈的方式鏈接相關(guān)節(jié)點(diǎn)(即圍繞一個(gè)主干線,所有的驅(qū)動(dòng)器、接收器通過(guò)很短存根接入),在主干線最遠(yuǎn)兩端放置端接電阻,如下圖所示。
1)多點(diǎn)(multipoint)半雙工拓?fù)涮卣魅缦聢D所示:
N*RS485驅(qū)動(dòng)器、
N*RS485接收器、
1*RS485差分傳輸介質(zhì)(半雙工總線中使用1對(duì)2根傳輸介質(zhì))、
2*端接匹配電阻(放置在一對(duì)傳輸線兩端)、
需要通過(guò)方向控制信號(hào)(例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào))對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,確保在任何時(shí)候總線上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài);
2)多點(diǎn)(multipoint)全雙工拓?fù)涮卣魅缦聢D所示:
N*RS485驅(qū)動(dòng)器、
N*RS485接收器、
2*RS485差分傳輸介質(zhì)(全雙工總線中使用2對(duì)四根傳輸線)、
2*2端接匹配電阻(2@1對(duì)傳輸介質(zhì)兩端,2對(duì)傳輸介質(zhì))、
全雙工雙向通信@2對(duì)傳輸介質(zhì);
全雙工模式允許節(jié)點(diǎn)在一個(gè)對(duì)上發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)在另一個(gè)對(duì)上接收數(shù)據(jù),需要通過(guò)方向控制信號(hào)(例如驅(qū)動(dòng)器/接收器使能信號(hào))對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,確保在任何時(shí)候總線上只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài);
三、工作原理
RS485的工作原理與LVDS基本類似,如下圖所示,但LVDS屬于電流驅(qū)動(dòng)型(由恒流源驅(qū)動(dòng)),而RS485屬于電壓驅(qū)動(dòng)型(由電壓源驅(qū)動(dòng)),這屬于比較大的區(qū)別。
如上圖所示,RS485發(fā)送端包含一個(gè)H橋電路,當(dāng)輸入D為高電平時(shí),打開(kāi)Q2和Q3,則A端口為高電平,B端口為低電平,兩者之間形成A到B的電流,A到B兩端的電壓VOD是VCC電壓分壓的結(jié)果,RD與Q2、Q3的導(dǎo)通阻抗以及通路上的二極管進(jìn)行分壓,反之亦然。RS485輸入端可看作一個(gè)比較器電路。
四、電氣特性
1)輸出特性(對(duì)發(fā)送端來(lái)說(shuō))
對(duì)RS485而言,同相輸出信號(hào)VA,反相輸出信號(hào)VB,這里面還有兩個(gè)概念,一個(gè)是差分輸出電壓VOD,一個(gè)是共模輸出電壓VOS.
VOD=“VA”-“VB”,可為正,也可為負(fù),通常以|VOD|表示,
1.5V≤|VOD|≤5V,|VA|≤6V,|VB|≤6V;|VOS|≤3V。
一般來(lái)說(shuō),符合 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器可在 54Ω 負(fù)載上提供VOD不小于 1.5V 的差分輸出。
2)輸入特性(對(duì)接收端來(lái)說(shuō))
對(duì)于接收端來(lái)說(shuō),既有與輸出類似的輸入電壓VA和VB,也有共模電壓VCM和差分電壓VID概念,接收端針對(duì)這兩個(gè)特性分別有要求,其中:
RS485是正值邏輯,差分電壓會(huì)有個(gè)判決門(mén)限,正VID > +200 mV對(duì)應(yīng)于邏輯1,負(fù)VID < ?200 mV則對(duì)應(yīng)于邏輯0。一般200mV<|VID|<10V。
RS485共模輸入電壓范圍VCM很寬,-7V<|VCM|<12V,因此其抗干擾能力很強(qiáng),需要特殊說(shuō)明的是VCM=VOS+GPD,其中VOS是輸出端的共模電壓,GPD全稱ground potential difference,是指接收端和驅(qū)動(dòng)端的地電勢(shì)之差,一般RS485要求的GPD在±7V之間,因此雖然RS485的發(fā)送端和接收端雖然可忍受較大范圍的GPD,但還需要進(jìn)行共地處理的,關(guān)于共地的接法沒(méi)有一個(gè)很統(tǒng)一的認(rèn)識(shí):對(duì)于RS485接口,因其GPD允許范圍較大,有種做法是驅(qū)動(dòng)端和發(fā)送端分的信號(hào)數(shù)字地DGND分別與各自產(chǎn)品端的KGND通過(guò)電阻等單點(diǎn)連接,而系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)產(chǎn)品端的KGND是可靠連通的;也可以將驅(qū)動(dòng)端和接收端的接口芯片DGND,通過(guò)單獨(dú)走PCB走線引到對(duì)外接口上,從而實(shí)現(xiàn)兩端DGND連通,單獨(dú)引出一個(gè)DGND信號(hào)有可能會(huì)帶來(lái)成本增加,也可能在DGND回路產(chǎn)生較大電流,從而增加共模噪聲的影響。
需要特別說(shuō)明的是,如果差分電壓在±200mV兩個(gè)閾值之間,則RS485接收器輸出為未定義態(tài),可能為高電平或低電平,比如說(shuō)RS485開(kāi)路(線纜中斷或者收發(fā)器從總線斷開(kāi))、短路(差分對(duì)的導(dǎo)線因絕緣層失效而接觸在一起)、總線空閑(所有總線驅(qū)動(dòng)器均未處于活動(dòng)狀態(tài))時(shí)。這種情況被稱為fail-safe,通常fail-safe有兩種方式,一種是新類型器件內(nèi)置了fail-safe保護(hù),對(duì)判決門(mén)限進(jìn)行了偏置;另一種是外置fail-safe保護(hù),即通過(guò)上下拉電阻分壓方式,確保在差分信號(hào)線上產(chǎn)生足夠的總線差分電壓,從而使得接收器可產(chǎn)生一個(gè)確定的輸出狀態(tài),如下圖所示。
3)傳輸線
傳輸距離:RS485傳輸距離較LVDS更長(zhǎng),可達(dá)1000m以上,其傳輸速率能夠達(dá)到10Mbps這樣的速率,當(dāng)然如下圖所示,其傳輸速率與傳輸距離是成反比的,當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度1000m時(shí),速率最大100Kbps左右,準(zhǔn)確的距離還受傳輸介質(zhì)、阻抗匹配等影響,需要通過(guò)仿真去評(píng)估。
傳輸介質(zhì):傳輸線可以為導(dǎo)線,也可以為PCB走線,其傳輸線纜推薦用雙絞線,傳輸特性阻抗120歐姆,不一定必須要屏蔽雙絞線。
端接電阻:端接電阻通常與傳輸線纜特性阻抗匹配,因此端接電阻選擇120Ω,放置在傳輸線最遠(yuǎn)兩端各一個(gè)。在噪聲環(huán)境下的應(yīng)用時(shí)可以將120Ω端接電阻替換為兩個(gè)60Ω電阻串聯(lián),中間接小電容到地,組成一個(gè)低通濾波器,用于提供額外的濾除共模噪聲能力,電阻電容需要選擇精度高的,以免濾波頻率發(fā)生較大變化。
五、應(yīng)用說(shuō)明
1)應(yīng)用場(chǎng)景:多點(diǎn)半雙工/全雙工傳輸,RS485速率最高可>10Mbps,傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)到1000m左右,但需要關(guān)注速率、傳輸介質(zhì)與傳輸距離的關(guān)系等;
2)原理圖設(shè)計(jì)時(shí),需要關(guān)注每對(duì)傳輸介質(zhì)兩端均并聯(lián)端接120歐電阻,同時(shí)關(guān)注RS485相關(guān)設(shè)備的共地情況,必須確保各設(shè)備的共地電勢(shì)差小于7V;
3)PCB設(shè)計(jì)時(shí),主要關(guān)注差分信號(hào)的等長(zhǎng)、阻抗匹配120Ω,多點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)收發(fā)器按照菊花鏈方式進(jìn)行鏈接,端接電阻兩端放置,其他收發(fā)器盡量距離主傳輸線較近。
六、RS485與M-LVDS對(duì)比說(shuō)明
類別 | 參數(shù) | RS485 | M-LVDS |
---|---|---|---|
拓?fù)?/td> | 拓?fù)?/td> | 多點(diǎn)(最多32個(gè)負(fù)載) | 多點(diǎn)(最多32個(gè)) |
驅(qū)動(dòng)器數(shù)量 | 多個(gè) | 多個(gè) | |
接收器數(shù)量 | 多個(gè) | 多個(gè) | |
端接電阻 | 2個(gè)120Ω@兩端 | 2個(gè)100Ω@兩端 | |
通信方向 | 半雙工@1對(duì)傳輸線全雙工@2對(duì)傳輸線 | 半雙工@1對(duì)傳輸線全雙工@2對(duì)傳輸線 | |
發(fā)送 | 驅(qū)動(dòng)方式 | 電壓驅(qū)動(dòng)型 | 電流驅(qū)動(dòng)型 |
差分電壓VOD | ≥1.5V | 565mV480mV~650mV | |
接收 | 判決門(mén)限 | ≥200mV—H≤-200mV—L | ≥50mV—H≤-50mV—L@type1≥150mV—H≤50mV—L@type2 |
共地漂移 | ±7V | ±1V | |
傳輸 | 速率 | 最大10Mbps | 最大400Mbps |
距離 | 最大1000m | 最大20m | |
阻抗 | 120Ω | 100Ω | |
功耗 | 高 | 低 |
注:相關(guān)信息來(lái)自TI、ADI等網(wǎng)站。
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RS485接口電路設(shè)計(jì)攻略

RS485簡(jiǎn)介
RS-485標(biāo)準(zhǔn)是什么,使用RS485接口時(shí)應(yīng)注意什么問(wèn)題?
RS485基礎(chǔ)知識(shí)
請(qǐng)問(wèn)RS232 RS485串口電平的標(biāo)準(zhǔn)是什么?
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RS485是什么?RS485通信的特點(diǎn)有哪些
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深度解析RS485接口知識(shí)

通信總線模塊:RS485、SP3232

RS485通信的學(xué)習(xí)以及思考

LVDS 與 RS422 和 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)的兼容性

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