RS485通信接口設計技巧

1983年，電子工業協會（EIA）批準了一項新的平衡傳輸標準，稱為RS-485。作為一種強大而靈活的標準，RS-485迅速獲得了廣泛的認可，并被廣泛應用于工業、醫療和消費類產品領域，成為工業接口的主流規范。

RS-485的優勢在于其適應性強、抗干擾能力高，且能夠在長距離、多節點的環境中實現可靠的數據傳輸。

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標準和特性

RS-485 是一種電氣標準，主要定義了平衡多點傳輸線上的驅動器和接收器的電氣特性。與涵蓋功能、機械和電氣規格的完整接口標準不同，RS-485 僅專注于電氣方面的定義。這種特性使其在多種應用中具有高度的適應性和靈活性。

RS-485 標準因其電氣特性被廣泛應用于多個更高級別的協議和標準。例如，在中國，電能表通訊協議標準 DL/T645 明確將 RS-485 作為物理層標準。這表明 RS-485 在確保關鍵應用中的數據傳輸可靠性方面具有重要作用，如能源管理和計量系統。

RS-485 的主要特性：

• 平衡接口：RS-485 使用平衡的差分信號傳輸方式，這種方式能夠有效抵御噪聲和干擾。在工業環境中，電磁干擾（EMI）可能會嚴重影響通信的可靠性，因此平衡接口提供了必要的抗干擾能力。

• 支持多點配置：RS-485 允許在同一總線上連接多個設備。一個總線最多可以支持 32 個單位負載（每個設備的負載被稱為一個單位負載），使其在需要多節點通信的應用場景中表現出色。

• 單一電源供電：RS-485 系統可以使用單一的 5V 電源，這簡化了電源管理并降低了系統成本。

• 廣泛的共模電壓范圍：RS-485 支持 –7V 至 +12V 的總線共模電壓范圍。

  這種寬廣的電壓范圍使得 RS-485 能在各種電氣環境中穩定工作。

• 數據速率和電纜長度：RS-485 的最大數據速率為 10Mbps（當電纜長度為 40 英尺時），而在較低速率下，最大電纜長度可以達到 4000 英尺（在速率為 100kbps 時）。這使得 RS-485 適用于需要長距離數據傳輸的應用。

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網絡拓撲

RS-485 標準建議使用菊花鏈（Daisy Chain）來連接網絡節點。

菊花鏈拓撲（Daisy Chain）是 RS-485 網絡中常見的連接方式。在這種拓撲結構中，所有的節點（驅動器、接收器和收發器）通過短網存根（Stub）連接到一條主干線。主干線在拓撲中起到承載信號的作用，而存根則連接每個具體的設備。

• 主干線：作為信號傳輸的主要通道，所有的設備都通過短網存根連接到主干線。

• 網存根：每個設備通過網存根與主干線連接。為了保持信號的完整性，存根的長度應盡可能短。

這種拓撲結構的優點在于它的簡單性和成本效益，適用于大多數低到中等規模的應用。

RS-485 支持兩種數據傳輸模式：全雙工（Full-Duplex）和半雙工（Half-Duplex）。

全雙工模式：

• 信號對：需要兩個信號對（共四根電線）來實現全雙工通信，即一個信號對用于發送數據，另一個信號對用于接收數據。

• 全雙工收發器：每個全雙工收發器具有獨立的發送和接收線路，允許節點同時發送和接收數據，從而提高通信效率。

半雙工模式：

• 信號對：僅使用一對信號線（共兩根電線）。在半雙工模式下，數據的發送和接收是交替進行的，即一個信號對在某個時刻用于發送數據，另一時刻用于接收數據。

• 方向控制：半雙工系統需要使用方向控制信號來切換數據的發送和接收狀態。這通常由驅動器/接收器使能信號控制，確保在任何時刻只有一個設備處于發送狀態，以避免信號沖突。

在 RS-485 網絡中，所有的設備共享同一條總線，因此在任何時刻，必須確保只有一個驅動器在工作。如果多個驅動器同時嘗試發送數據，將導致總線爭用（Bus Contention），這會造成數據沖突和通信錯誤。

• 軟件控制：避免總線爭用的關鍵在于精確的控制策略。這通常通過軟件來實現，通過邏輯判斷和控制信號，確保在任何時刻只有一個驅動器處于活動狀態。

• 硬件保護：有時還需要硬件保護措施，例如使用終端電阻來減少信號反射，并提高網絡的魯棒性。

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信號電平

RS-485 標準的一個關鍵特點是其電氣性能，特別是驅動器和接收器的差分信號特性。

RS-485 信號電平特性：

3.1、驅動器的差分輸出

符合 RS-485 標準的驅動器在 54Ω 負載上能提供不小于 1.5V 的差分輸出電壓。這意味著驅動器能夠產生足夠強的信號，以確保信號在電纜和連接器中經過長距離傳輸后仍能保持較好的質量。

• 負載阻抗：RS-485 驅動器的設計考慮了電纜的特性阻抗，通常為 120Ω。為了適應不同的網絡拓撲和布線需求，標準允許在 54Ω 負載下仍能保持足夠的差分電壓。

• 差分電壓：1.5V 的差分電壓提供了一個穩定的信號強度，即使在較長的傳輸距離和負載條件下也能有效地傳輸數據。高于 1.5V 的差分輸出可以有效應對信號衰減和噪聲干擾。

3.2、接收器的差分輸入靈敏度

RS-485 標準要求接收器能夠檢測到低至 200mV 的差分輸入電壓。這種高靈敏度使得接收器能夠在信號嚴重衰減或噪聲干擾的情況下，仍能準確接收數據。

• 檢測閾值：200mV 的差分輸入靈敏度意味著接收器可以處理很小的信號電平變化，從而提高了在長距離傳輸中的數據接收可靠性。

• 信號衰減：在長距離傳輸和惡劣環境中，信號可能會遭受顯著的衰減和干擾。接收器的低閾值設計確保即使信號衰減嚴重，也能可靠地恢復數據。

3.3、穩健性和應用

RS-485 的這些電氣特性使其非常適合在嘈雜環境中進行長距離聯網，具有以下優勢：

• 抗干擾能力：高于 1.5V 的差分輸出電壓和低至 200mV 的輸入靈敏度，使 RS-485 網絡能有效抵御外部電磁干擾（EMI）和噪聲。差分信號傳輸的特性能夠有效抑制共模噪聲，從而提高通信的魯棒性。

• 長距離傳輸：RS-485 能夠在長達 4000 英尺（約 1200 米）的電纜長度下保持較好的數據傳輸速率，適用于需要遠程數據傳輸的應用場景。

• 高可靠性：無論是在工業控制、醫療設備還是消費電子產品中，RS-485 的這些特性都保證了數據傳輸的高可靠性，能夠在復雜的環境條件下穩定運行。

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電纜類型

在 RS-485 應用中，雙絞線是傳輸差分信號的理想選擇。

4.1、雙絞線的優勢

雙絞線傳輸差分信號具有顯著的優勢，這主要歸因于其結構和電磁干擾（EMI）的處理方式：

• 共模干擾抑制：雙絞線由兩根互相纏繞的導線組成，這種結構使得外部電磁干擾源會均等地耦合到兩根信號線上。由于 RS-485 的差分信號傳輸原理，這些共模干擾會在接收器端被有效地取消，從而減少了噪聲對數據傳輸的影響。

• 信號完整性：通過將兩個信號線緊密纏繞，雙絞線在傳輸過程中保持了信號的完整性，并減少了由電纜自身的電磁干擾引起的信號損失。

4.2、工業 RS-485 電纜類型

工業用 RS-485 電纜主要有以下幾種類型，每種類型都有其適用的場景和特性：

• 有保護套電纜：這種電纜在雙絞線外層覆蓋了一層金屬屏蔽，能有效阻擋外部電磁干擾，提供額外的保護，適用于干擾嚴重的環境。

• 無保護套電纜：適用于干擾較少的環境，成本較低，但對外部干擾的抵抗力較弱。

• 雙絞線：是最常見的 RS-485 電纜類型，通過雙絞的設計提高了信號的抗干擾能力。

• 非屏蔽雙絞線：通常用于低成本的應用場合，不具備額外的干擾屏蔽功能。

所有這些電纜通常符合 22-24 AWG 的線規，其特性阻抗為 120Ω，這與 RS-485 標準要求的特性阻抗一致。下圖展示了典型的四線對電纜的橫截面結構。

4.3、電纜設計和應用

• 四線對電纜：這種電纜具有四根導線，通常用于支持兩個全雙工網絡。全雙工網絡需要兩個獨立的信號對來實現同時發送和接收數據。

• 兩對和單對電纜：適用于低成本的半雙工系統設計。半雙工系統只需要一對信號線來傳輸和接收數據，但不能同時進行。

4.4、印制電路板布局

除了選擇合適的電纜外，RS-485 系統的穩定性還依賴于印制電路板（PCB）的設計：

• 信號線布置：印制電路板上的信號線應該盡可能靠近并等長，以保持電氣特性的一致性。這可以減少信號傳輸過程中的干擾和信號失真。

• 電氣特性匹配：PCB 的布局應與網絡的電氣特性相匹配，以確保良好的信號傳輸性能和系統的整體穩定性。

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總線終端和存根長度

為了確保 RS-485 數據傳輸的穩定性和可靠性，必須合理地管理端接和存根。

5.1、端接的重要性

端接的目的是防止信號在電纜終端反射，這種反射會引起信號失真和數據傳輸錯誤。為避免這種情況，必須正確終端電纜，并確保端接電阻與傳輸電纜的特性阻抗匹配：

• 特性阻抗：RS-485 標準建議使用特性阻抗為 120Ω 的電纜。因此，通常在電纜干線的兩端各加一個 120Ω 的終端電阻（如下圖左半部分）。這種做法可以有效地吸收信號反射，提高數據傳輸的穩定性。

• 噪聲環境中的應用：在噪聲較大的環境中，為了進一步降低共模噪聲，常常會使用兩個 60Ω 電阻串聯組成低通濾波器（如下圖右半部分）。這種配置可以提供額外的共模噪聲濾除能力。然而，需要確保兩個 60Ω 電阻的匹配精度（建議使用精度為 1% 的電阻），否則，電阻值的偏差會導致濾波器的頻率響應不一致，可能將共模噪聲轉化為差分噪聲，從而降低接收器的抗干擾能力。

5.2、存根管理

存根指的是從電纜干線分出的短電纜或導線，用于連接到其他節點。為了避免存根對信號完整性產生負面影響，應盡量縮短存根的長度。存根的長度應滿足以下條件：

• 電氣長度：存根的電氣長度（即收發器與電纜干線之間的距離）應小于驅動器輸出上升時間的 1/10。通過以下公式可以計算最大存根長度：

下表列出了不同驅動器上升時間對應的最大存根長度。較長的上升時間允許使用更長的存根，同時也有助于減少驅動器產生的電磁干擾（EMI）。

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失效保護

失效保護是確保 RS-485 接收器在信號丟失情況下能夠輸出穩定和確定狀態的關鍵設計要素。

6.1、信號丟失的原因

信號丟失（Loss of Signal, LOS）可能由以下三種情況引起：

• 開路：線纜中斷或收發器從總線斷開。這種情況會導致信號完全消失。

• 短路：差分對的兩根導線因絕緣層失效而接觸在一起，導致信號無法正常傳輸。

• 總線空閑：當所有總線驅動器均未處于活動狀態時，總線變為空閑狀態，沒有信號輸出。

在上述情況下，如果接收器缺少輸入信號，傳統的接收器可能會輸出不穩定或隨機的狀態。現代接收器內部通常包含偏置電路，以應對這些失效情況。

6.2、失效保護機制

為解決信號丟失的問題，現代接收器設計包含以下失效保護機制：

• 內部偏置電路：這些電路可以在信號丟失時生成一個確定的輸出狀態。內部偏置電路會對開路、短路和總線空閑情況提供保護，使接收器能夠輸出一個穩定的狀態，即使輸入信號為零。

• 噪聲容限：雖然內部偏置電路能提供一定的保護，但最壞情況下的噪聲容限可能僅為 10mV。在干擾環境中，額外的外部失效保護電路是必要的，以增加整體系統的噪聲容限。

6.3、外部失效保護電路設計

為了提高噪聲容限，需要設計外部失效保護電路。外部失效保護電路通常由電阻分壓器組成，其主要作用是提供足夠的總線差分電壓，以確保接收器能夠生成確定的輸出狀態。

具體設計步驟如下：

• 計算總線電壓：外部電阻分壓器的設計需要考慮最小總線電壓、接收器的輸入閾值以及最大差分噪聲。設計公式為：

其中：

• VAB = 總線差分電壓

• Vin = 最小總線電壓（4.75V，通常取 5V 減 5%）

• Z0 = 電纜特性阻抗（120Ω）

• Vnoise = 測得的最大差分噪聲

假設最小總線電壓為 4.75V，接收器的輸入閾值VAB 為 0.25V，電纜特性阻抗Z0 為 120Ω，則可以計算出外部電阻RB 的值。根據公式計算得到：

在實際應用中，可以選擇兩個 523Ω 的電阻器串聯，以實現所需的電阻值。這個配置可以如下圖所示建立失效保護電路。 

使用兩個 523Ω 的電阻器串聯，插入到終端電阻 RT 中，可以建立有效的失效保護電路。這種設計可以確保即使在信號丟失的情況下，接收器也能輸出穩定的狀態，并提高整體系統的抗干擾能力。 

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總線負載

驅動器的輸出性能主要取決于它需要為負載提供的電流，因此在總線上增加收發器和失效保護電路會直接增加總負載電流的需求。為了合理估算總線所能承受的最大負載數，RS-485 標準引入了單位負載（UL）這個概念。單位負載表示約 12kΩ 的負載阻抗，而符合 RS-485 標準的驅動器必須能夠驅動多達 32 個單位負載。

在實際應用中，隨著技術的發展，現代收發器的設計逐漸優化，能夠顯著降低單位負載。例如，1/8 UL 的收發器相比傳統的 1 UL 設計，負載阻抗更高，導致電流消耗更低，因此可以在總線上連接更多的收發器設備。理論上，這種優化設計可以使總線支持多達 256 個收發器連接。

盡管現代收發器減少了單位負載，但失效保護偏置電路仍然會對總線負載產生影響，尤其是在需要確保系統在信號丟失情況下仍能輸出確定狀態時。這種失效保護偏置可能貢獻多達 20 個單位的總線負載，因此計算總線最大負載時，必須將這一因素考慮在內。

為了計算總線上可以連接的最大收發器數量 N，我們可以使用以下公式：

舉例來說，當使用 1/8-UL 的收發器時，最大連接數 N 計算如下：

因此，若在 RS-485 總線上使用 1/8 UL 的收發器設計，最多可將 96 個器件連接到總線中。這一計算確保了即使在總線負載增加的情況下，系統仍然可以保持穩定的性能，不會因負載過大而導致通信故障或數據傳輸不穩定。 

在實際工程設計中，雖然公式提供了理論上的最大連接數，但為了確保系統的可靠性和穩定性，工程師在設計時應考慮到可能的環境干擾、信號衰減以及其他系統因素。建議在接近理論最大值時，保留一定的裕量，以便應對不確定因素帶來的潛在影響。

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數據速率與總線長度

在確定 RS-485 總線的最大傳輸長度時，數據速率、傳輸線損耗和信號抖動都是關鍵因素。在特定數據速率下，信號抖動超過波特周期的 10% 時，數據傳輸的可靠性會顯著降低。為了直觀展示這一關系，下圖描繪了傳統 RS-485 電纜在 10% 信號抖動情況下，不同電纜長度與數據速率之間的關系。

A. 短電纜長度與高數據速率區域

圖形的第 1 部分展示了短電纜長度下的高數據速率區域。在這一部分，傳輸線路的損耗幾乎可以忽略不計，數據速率的限制主要取決于驅動器的上升時間。雖然 RS-485 標準建議的最高數據速率為 10Mbps，但隨著現代接口電路的發展，當前的系統可以支持高達 40Mbps 的數據速率。此時，電纜長度對數據速率的影響最小。

B. 從短電纜到長電纜的過渡區域

第 2 部分展示了數據線路從短到長的過渡區域。在這個區域，傳輸線路損耗開始顯現，導致數據速率必須隨電纜長度的增加而降低。根據經驗法則，電纜長度（米）與數據速率（bps）的乘積應小于 10710^7107。例如，若數據速率為 1Mbps，則電纜長度應不超過 10公里。然而，這個經驗法則較為保守，實際應用中使用的電纜性能可能允許更長的電纜長度，但仍需注意信號完整性和可靠性。

C. 低頻率下的信號衰減與電纜長度

圖形的第 3 部分展示了較低頻率范圍內的情況。在此范圍內，信號衰減主要由線路電阻決定，而非開關速度。隨著電纜長度的增加，電纜的電阻接近于終端電阻的值，形成了一個電壓分壓器結構，導致信號衰減大約為 -6dB。對于 120Ω 阻抗的 22 AWG 非屏蔽雙絞線 (UTP)，這一情況通常發生在電纜長度達到約 1200米時。

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最小節點間距

RS-485 總線是一種典型的分布式參數電路，其電氣特性主要由沿物理介質（包括互連電纜和印刷電路板軌線）分布的電感和電容共同決定。這種分布式參數結構意味著在設計 RS-485 網絡時，必須特別注意總線的電氣負載和阻抗匹配，以確保信號完整性和可靠的數據傳輸。

當在 RS-485 總線中添加器件或互連電路時，會引入附加的電容，這些電容會降低總線的特性阻抗。隨著總線阻抗的降低，總線的介質與負載部分之間的阻抗可能不匹配，導致信號在這些不匹配點處反射回源端。這種反射可能會引起驅動器輸出信號的失真，從而影響接收器接收到的信號質量。

為了確保從驅動器輸出的信號在到達接收器時仍能保持有效的電壓電平，必須保持總線上的最小負載阻抗 Z′>0.4×Z0（其中Z0 為傳輸線的特性阻抗）。這一要求可以通過在總線節點之間保持最小距離 d 來實現。該最小距離 d 可以由以下公式計算：

其中：

• CL 是集總負載電容，即器件、連接器、印刷電路板軌線等引入的附加電容。

• C′ 是每單位長度的介質電容（如電纜或 PCB 軌線的分布電容）。

上面方程式表明了器件間距 d 與分布式介質電容C′ 和集總負載電容 CL 的關系。下圖則以圖形方式展示了這種關系，直觀地展示了不同電容值下，器件之間的最小間距要求。

影響總線電容的主要因素如下：

• 收發器電容：5V 收發器的輸入電容通常為 7pF。3V 收發器的輸入電容則大約是 16pF，幾乎是前者的兩倍。

• PCB 軌線電容：取決于電路板設計和結構，PCB 軌線每厘米通常會增加 0.5~0.8pF 的電容。

• 連接器和保護器件電容：連接器觸點、電路保護器件（如ESD抑制器件）的電容范圍可能變化較大，應根據實際設計進行評估。

• 介質分布電容：不同類型的電纜或背板的分布電容也有所不同。

• 低電容非屏蔽雙絞線電纜的分布電容通常為 40pF/m，而背板的分布電容可能高達 70pF/m。

為了確保 RS-485 總線的穩定運行，必須盡可能減少集總負載電容的影響。具體來說，應注意以下幾點：

• 縮短存根區域的電氣距離：保持總線到收發器的連接盡可能短，減少信號反射的機會。

• 合理選擇收發器：選擇低電容的收發器，尤其是在需要長距離傳輸或高數據速率的應用中。

• 優化 PCB 設計：在 PCB 設計中，盡量縮****號路徑，并避免不必要的電容負載。

• 仔細選擇電纜和連接器：在布線時，選擇具有較低分布電容的電纜，并確保連接器和其他電氣元件對總線電容的貢獻盡可能小。

通過對這些因素的精確控制，可以有效減少總線阻抗不匹配所帶來的信號反射問題，從而提高 RS-485 總線系統的信號完整性和數據傳輸可靠性。

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接地和隔離

在設計遠程數據鏈路時，設計人員必須考慮接地電勢差（GPD）可能帶來的問題。這些電壓差異會以共模干擾的形式疊加到傳輸線上，甚至可能導致數據傳輸故障。雖然總疊加信號可能仍在接收器輸入的共模范圍內，但依賴本地接地作為電流回路是相當危險的（如下圖a 所示）。由于遠程節點可能從不同電氣設備獲取電源，在維護或設備更改期間，接地電勢差可能超出接收器的輸入共模范圍，導致原本正常運行的數據鏈路出現故障。

直接通過接地線連接遠端地也并不可取（如下圖b 所示），因為這可能引發大電流環路，進而將共模噪聲引入信號線。為了有效隔離遠端地，RS-485 標準建議在設備地與本地系統地之間插入電阻器（見下圖c）。這種方法雖然可以減少環路電流，但由于仍然存在大電流環路，數據鏈路仍然容易受到沿環路路徑產生的噪聲的影響。因此，這種方式并不能完全保障數據鏈路的穩定性。

要建立一個能夠容忍數千伏接地電勢差且適用于長距離傳輸的強健 RS-485 數據鏈路，最有效的方法是對信號和電源進行隔離（見下圖）。在這種配置下，電源隔離器（如隔離的直流/直流轉換器）和信號隔離器（如數字電容隔離器）可以防止遠程系統地之間的電流流動，避免形成環路電流。

下圖則展示了多個隔離收發器的示例配置。在這其中，除一個收發器外，所有收發器都通過隔離設備接入總線。左側的非隔離收發器為整個總線提供了單一的接地基準，這種配置在保持系統穩定的同時，確保了數據鏈路的可靠性。