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控制技術/MCU  

快速完成符合RS-485標準的可靠系統設計

上網時間: 2008年08月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:串列埠,RS485  共模噪音 

作為上世紀80年代早期批准的一個平衡傳輸標準,RS-485似乎已成為業界永不過時的介面標準。關於它的文獻有很多,但對於很少接觸介面設計系統工程師而言,如此大量的文獻就有些讓人吃不消了。

本文旨在討論RS-485標準的主要內容,為初接觸它的設計師提供入門指南。研究文末參考的一些附加應用筆記可進一步幫助設計師在最短的時間內完成一套可靠的數傳設計。

RS-485標準的用途

RS-485只定義了用於平衡多點傳輸線的驅動器和接收器的電特性,因此很多更高層標準都將其作為實體層引用。

網路拓樸:匯流排節點以菊花鏈或匯流排拓樸方式連網。(見圖1)也就是說,每個節點都透過很短的線頭連接到主纜線。該介面匯流排通常設計為用於半雙工傳輸,也就是說它只用一對訊號線,驅動數據和接收數據只能在不同時刻出現在訊號線上。

圖1:RS-485匯流排結構(左)與半雙工匯流排結構(右)。
圖1:RS-485匯流排結構(左)與半雙工匯流排結構(右)。

這就需要透過方向控制訊號(例如驅動器/接收器使能訊號)控制節點作業的協議,以確保任何時刻匯流排上都只能有一個驅動器在活動,而必須避免多個驅動器同時存取匯流排導致匯流排競爭。

訊號電平:RS-485驅動器必須在54的負載上提供最小1.5V的差分輸出,而RS-485接收器則必須能檢測到最小為200mv的差分輸入(見圖2)。這兩個值為可靠數據傳輸提供了足夠的裕度,即便訊號經過纜線和連接器產生嚴重衰減時亦如此。而穩健性正是RS-485適用於噪音環境的長距離連網的主要原因。

圖2:RS-485規定的最小匯流排訊號電平。
圖2:RS-485規定的最小匯流排訊號電平。

纜線類型:在雙絞線上傳送差分訊號為RS-485應用帶來了很大好處。這是因為外部噪音源產生的噪音總是等量耦合進兩根訊號線中,屬於共模噪音,而這能在差分接收器的輸入處就被抑制掉。

工業用RS-485纜線是特性阻抗為120和22AWG的塑封非屏蔽雙絞線。圖3所示為一對用於半雙工網路的UTP纜線的橫截面。

圖3:RS-485通訊纜線示例。
圖3:RS-485通訊纜線示例。

為了保持網路的電特性,除了網路纜線的連接之外,印刷電路板的佈線和RS-485設備連接器上的接腳分配需保持兩根訊號線之間的距離均等且足夠靠近。

匯流排端接與線頭長度:數據傳輸線應進行端接,而且線頭應盡可能短,以避免傳輸線上產生訊號反射。良好的端接要求終端電阻RT與傳輸線纜線的特徵阻抗Z0匹配。RS-485建議採用Z0為120的纜線,因此通常每根纜線末端都採用120的電阻進行端接。

噪音環境下的應用往往用兩個RC低通濾波器替代這些120的電阻,以增強對共模噪音的濾波(見圖4)。值得注意的是,兩個濾波器的電阻值應相等(最好採用精密電阻)以確保兩個濾波器具有相同的滾降頻率。電阻容差過大會導致濾波器轉角頻率出現偏差,而導致共模噪音轉換為差模噪音,使接收器的抗噪性能降低。

線頭的電長度(即收發器與纜線幹線之間的距離)應小於驅動器輸入訊號上升時間的1/10。表1列出了圖4中不同驅動訊號上升時間對應的最大纜線線頭長度。

圖4:利用共模噪音濾波器對RS-485進行端接。
圖4:利用共模噪音濾波器對RS-485進行端接。

表1:不同訊號上升時間下的線頭長度和未端接纜線長度。
表1:不同訊號上升時間下的線頭長度和未端接纜線長度。

故障保險:故障保險(failsafe)是指接收器可以在無輸入訊號時保證一個確定的輸出狀態。可能導致訊號丟失的原因有三種:1)電路開路:由纜線斷線或收發器從匯流排上斷開導致;2)電路短路:絕緣失效導致傳輸差分對訊號的兩根線互相短路;3)匯流排空閒:匯流排上沒有驅動器工作。

由於以上幾種條件可能導致傳統的接收器在輸入訊號為零時輸出隨機的狀態,因此現代收發器設計中均為開路、短路和匯流排空閒狀態下的故障保險設計了專門的偏置電路。當輸入訊號為零時,該電路會使接收器的輸出保持在一個確定的狀態。

儘管這些帶故障保險的收發器宣稱能減少零組件個數,但它們10mV的最壞情況噪音裕度使外部故障保險電路的設計成為必要。

外部故障保險電路包含一個電阻分壓器,用以產生足夠的差分匯流排電壓,將接收器的輸出驅動至一個確定的狀態。為確保電路具備足夠的噪音裕度,VAB在200mV接收器輸入閾值之外還必須能涵蓋最大差分噪音。按下式運算故障保險偏置電阻RB在最壞情況條件下(即最低電壓,最大噪音條件下)的阻值:

其中VAB=200mV + VNoise。在最小匯流排電壓為4.75V,VAB=0.25V並且Zo=120時,RB的運算結果為528。在RT上串聯兩個523的電阻(見圖5左),就在匯流排一端設立起一個故障保險電路。

圖5:匯流排空閒的外部故障保險偏置。
圖5:匯流排空閒的外部故障保險偏置。

由於驅動器依靠電流輸出,因此必須為輸出電流提供一個負載。為匯流排增加收發器和故障保險電路同時也增大了所需的總負載電流。為了估計匯流排允許的最大負載個數,RS-485定義了一個假想的單位負載(UL),一個UL代表的負載阻抗約為12k。符合標準的驅動器必須能驅動32個這樣的單位負載。如今的收發器往往採用的是減少了的單位負載,例如1/8UL,因此匯流排上允許連接的收發器個數多達256個。

由於故障保險偏置電路就佔據了匯流排負載中多達20UL,因此匯流排上允許的最大接收機個數就減少了。因此,當採用1/8的收發器時,匯流排上最多能連接96個設備,即:

數據率與匯流排長度的關係

最大匯流排長度受傳輸線損耗與某個數據率下的訊號抖動限制。在抖動達到波特週期的10%或以上時,數據可靠性會急劇下降。圖6為傳統RS-485驅動器在10%訊號抖動下,不同數據率特性對應的纜線長度。

在圖6中,第一部份代表了線長受主要非抗性(即阻性)纜線損耗限制的數據率範圍。第2部份中,纜線的電抗性損耗隨頻率增加,因此頻率增加後允許的纜線長度就減少了。經驗準則告訴我們線長(單位為英吋)乘以數據率(單位為bps)應小於3107。當線長較短時,纜線損耗可以忽略,這時,限制最大可能數據率的只有驅動訊號的上升時間(第3部份)。

圖6:不同數據率下的纜線長度。
圖6:不同數據率下的纜線長度。

最小節點間距

以增多元件與元件間互連的方式增大匯流排容抗會降低匯流排阻抗,並導致匯流排的傳輸媒介與負載部份的阻抗失配。輸入訊號到達這些失配點時會有一部份被反射回訊號來源處,因而使驅動器輸出訊號失真。

要確保匯流排上任何一處輸出驅動器送出的訊號在第一次訊號轉換過程中,到達接收器時均達到有效輸入電平,就要求匯流排節點之間只相隔最小間距,約可按下式計算:

其中CL為集總負載電容,C為傳輸媒介(纜線或PCB走線)單位長度的電容。上式給出的是最小元件間距與分佈媒介和集總負載電阻的函式關係,圖7將這種關係圖形化了。

圖7:最小節點間距與元件和傳輸媒介容抗的關係。
圖7:最小節點間距與元件和傳輸媒介容抗的關係。

負載電容包括線路匯流排接腳的電容、連接器的接觸電容、印刷電路板的走線電容、保護元件的電容,當匯流排至收發器(收發器的線頭)之間的電距離較短時還包括任何其他與幹線相連的實體連接帶來的電容。

接地與隔離

遠端數據連接通常存在很大的地電位差(GDP),該電位差到了發送器的輸出上就成了共模噪音。如果這種噪音過大,就可能超過接收器的輸入共模噪音容限,因而對元件造成損壞。因此,不建議依靠本地接地作為電流回流的可靠路徑(見圖8a)。也不建議直接用地線連接遠端地,(見圖8b)因為這可能會引發很大的地迴路電流,耦合到數據線之中成為共模噪音。像RS-485建議的那樣透過在接地通路上插入電阻來減少迴路電流也只解決了一半問題。一個大接地迴路的存在就使數據鏈路對迴路中其他地方產生的噪音非常感應。因此,透過這種方式仍無法設立一個可靠的數據鏈路(見圖8c)。

圖8:需要注意的設計缺陷:a) GPD過高; b) 迴路電流過大; c)減少迴路電流,但過大的接地迴路仍會導致電路對感應噪音高度感應。
圖8:需要注意的設計缺陷:a) GPD過高; b) 迴路電流過大; c)減少迴路電流,但過大的接地迴路仍會導致電路對感應噪音高度感應。

設立可靠的長距離數據鏈路的最可靠的方法是透過絕緣隔離。採用該方法時,匯流排收發器的訊號線和電源線與本地訊號與電源是相互隔離的。

電源隔離器,例如隔離型DC/DC變換器、和數位容性隔離器等訊號隔離器均能阻止電流在遠端系統的接地之間流通,因而避免創造這樣的電流迴路。

圖9給出的是多個隔離型收發器的詳細連接。所有收發器中除了一個以外其他均透過隔離連接到匯流排,圖中唯一一個未隔離的收發器為整個匯流排提供單一地參考。

圖9:多個現場匯流排收發器位置與單一地參考的隔離。
圖9:多個現場匯流排收發器位置與單一地參考的隔離。

本文小結

雖不能說是非常完整,但本文的目標是涵蓋RS-485系統設計所有主要問題。儘管關於這一主題有大量的技術文獻,但本文旨在為新接觸RS-485的系統設計師們提供一個詳盡的設計指南。

按照本文討論的方法,並參考一些詳細的應用報告,可以幫助設計師們在最短時間內完成一個可靠的符合RS-485標準的系統設計。

德州儀器公司的RS-485收發器產品十分豐富,涵蓋範圍也很廣。元件特性包括低EMI、低功率(1/8UL)、高ESD保護(從16kV到30kV),以及針對開路、短路和匯流排空閒條件的全套故障保險功能。對於需要隔離的遠距離應用,德州儀器的產品線還擴展到單片雙隔離器、三隔離器和4隔離器版本的單向和雙向數位隔離器(從DC到150Mbps),以及隔離型DC/DC變換器(帶3V到5V整流輸出),以為隔離閘兩端同時提供電源。

作者:Thomas Kugelstadt

資深應用工程師

TI公司





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