RS422／RS485總線模型分析與應用

　　0 引言

　　RS422／RS485總線接口作為多點、差分數據傳輸的電氣規范，現已成為業界應用較為廣泛的標準通信接口之一。RS422／RS485標準只對接口的電氣特性做出了規定，而不涉及接插件、電纜或協議，因此，用戶可在此基礎上建立自己的高層通信協議。

　　1 基本原理

　　RS422／RS485標準的全稱為TIA／EIA-422-B和TIA／EIA-485串行通信標準。它們的數據信號均采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。這兩者在電氣特性上非常接近，不同之處只是傳輸方式的不同。

　　RS485的典型工作方式如圖1所示。RS485典型的驅動器使用一對雙絞線，并將其中的一線定義為A，另一線定義為B。兩線工作時采用半雙工通信方式，其工作狀態(發送狀態和接收狀態)由使能控制信號決定。

　　一般情況下，驅動器的A、B間的正電平電壓為+2～+6 V時代表一個邏輯狀態；A、B之間的負電平在-6～-2 V時代表另外一個邏輯狀態。另外還有一個信號地C。事實上，在很多情況下，都會忽視信號地的連接。這里建議采用經過處理的低阻通路把信號地連接起來，以增加其共模抗干擾能力并減少電磁輻射。“使能”控制信號E用于驅動器與傳輸線的切斷和連接，當ENABLE起作用時，發送器處于高阻狀態，稱作“第三態”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態。

　　接收器與驅動器的規定相似，其收、發端均可通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應相連。當接收端A、B之間有大于+200 mV的電平時，輸出為正邏輯電平；小于-200 mV時，輸出為負邏輯電平。在接收器的接收平衡線上，電平范圍通常是在200 mV～6 V之間。

　　一般可定義邏輯1(正邏輯電平)為B>A的狀態，邏輯0(負邏輯電平)為A>B的狀態，A、B之間的壓差不小于200 mV。

　　RS485的四線工作狀態和RS422的四線工作狀態基本一致，從物理的角度上講，RS422相當于兩個RS485同時工作，一個工作于接收狀態，一個工作于發送狀態。

　　2 信號分析

　　根據以上說明，這里對RS422／RS485的傳輸特性建立一個信號分析模型，因為RS485更具有代表性，所以采用RS485作為分析對象。RS485是典型的信號處理標準，其傳遞函數模型如圖2所示。

　　根據圖2規范設計定義域時，D可代表微處理器輸出的數字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；Dr代表微處理器接收的數字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；E，EN為使能信號。驅動器和接收器與傳輸線的連接關系(高電平或者低電平有效控制)存在兩種情況：定義ENABLE為連接有效狀態，DISABLE為未連接狀態，取值空間為{ENABLE，DISABLE}。在RS485通信標準中，一般情況下，E、EN若一個有效則另一個禁止，而RS422則兩個均為有效；A，B為驅動器與傳輸線的接口電壓，其規范定義為(-6V，+6V)；Ar，Br為接收器與傳輸線接口的電壓。為了實現RS422／RS485的接口兼容，這里應定義為(-7V，+10V)。實際上，驅動器傳遞函數定義中有四種可滿足RS485通信標準的情況：

　　D=1，E=DISABLE時，輸出A，B狀態為未定；

　　D=0,E=DISABLE時，輸出A，B狀態為未定；

　　D=1，E=ENABLE時，輸出B-A>2V，且A，B∈(6V，+6V)；

　　D=0，E=ENABLE時，輸出A-B>2V，且A，B∈(6V，+6V)。

　　所以，能夠實現上面傳遞函數的所有電路均可作為RS485的驅動器參考設計，當然，還需要滿足其輸入輸出特性。

　　從接收器傳遞函數的定義可以把接收器分成兩類，其一是EN=DIABLE，這相當于驅動器沒有掛載在總線上(可以認為不存在)。其二是EN=ENABLE，此時又存在兩種正常工作情況，一是輸出Dr=1時，Br-Ar>200 mV；二是輸出Dr=0時，Ar-Br>200 mV。

　　為了滿足接收器正常工作的需要，操作時還需要考慮以下幾種情況：

　　(1)Ar、Br的電壓范圍應該嚴格限制在-7～10V，否則可能損壞器件。一般采用穩壓的二極管網絡來實現電壓的限制。

　　(2)當|Ar-Br|<200 mV時，接收器數據的判別。一般可采用電阻網絡，將Ar通過10 kΩ的電阻接在VCC上，而將Br通過10 kΩ的電阻接在GROUND上，這樣，當總線上沒有信號傳輸的時候，即可保持Ar的電平為3.2 V左右，Br的電平大約為1.6 V，這樣，即使有干擾信號，也很難產生串行通信的其始信號0。

　　(3)一般情況下，為了減少線路上傳輸信號的反射，可在RS422總線電纜的遠端并接1個100Ω電阻，并應在RS485網絡傳輸線的始端和末端各接1個120 Ω的匹配電阻。

　　3 工程實現

　　根據以上分析，這里給出一個RS422／RS485兼容的實際應用電路，其具體電路如圖3所示。

　　圖3電路中采用的芯片為MAX491ESD。當用MAX491ESD進行RS422通信時，應把跳線帽安裝在JP2的管腳2和管腳1上，JP1和JP3跳線帽去掉；而當其作為RS485通信的時候，則應把跳線帽安裝在JP2的管腳2和管腳3上，JP1和JP3加上跳線帽，從而構成兩個節點的RS485網絡。穩壓管D1，D2的作用是把A的電壓牢牢限制在-7V～+12V，以有效保護RS422／RS485網絡。增加D3和D8的目的主要是為了防止浪涌電壓。這個實際電路是以信號分析模型作為指導的依據建立起來的，可以在實際的測試和運行中滿足預期要求。

　　4 結束語

　　本文從信號處理的角度分析了RS422／RS485網絡的硬件構成，并將其抽象為一個信號處理分析模型，從而給出相應的傳遞函數和定義域。