1. 何時(shí)需要在RS-485總線上端接，以及如何正確端接？

 

RS-485總線端接在許多應(yīng)用中均很有用，因?yàn)榇朔绞接兄谔岣咝盘?hào)完整性并減少通信問(wèn)題。“端接”是指將電纜的特征阻抗與端接網(wǎng)絡(luò)匹配，使總線末端的接收器能夠觀察到最大信號(hào)功率。未端接或端接不當(dāng)?shù)目偩€將無(wú)法很好的匹配，從而在網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生反射，導(dǎo)致整體信號(hào)完整性降低。

 

在網(wǎng)絡(luò)的雙向環(huán)路時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)位時(shí)間時(shí)，無(wú)需終止，因?yàn)槊看畏瓷涞竭_(dá)網(wǎng)絡(luò)末端時(shí)，它們都會(huì)損失能量。但是，對(duì)于位時(shí)間基本上不長(zhǎng)于電纜環(huán)路時(shí)間的應(yīng)用，為使反射最小化，端接至關(guān)重要。

 

最基本的端接稱(chēng)為并聯(lián)端接，由單個(gè)電阻組成，如圖1所示。RS-485標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)稱(chēng)特性阻抗達(dá)到120Ω，因此端接電阻的默認(rèn)值應(yīng)為RT = 120Ω。閱讀博文：“RS-485基礎(chǔ)：什么時(shí)候需要端接，以及如何正確執(zhí)行。”

 

圖1：具有并聯(lián)端接的RS-485總線什么是故障安全偏置，如何實(shí)現(xiàn)？

 

2.什么是故障安全偏置，如何實(shí)現(xiàn)？

 

故障安全偏置是確保RS-485接收器不會(huì)因差分輸入電壓而處于不確定狀態(tài)的一種方式。電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）-485標(biāo)準(zhǔn)指出：當(dāng)差分電壓≥+ 200mV時(shí)，RS-485的輸入閾值是邏輯高；差分電壓≤-200mV時(shí)，RS-485的輸入閾值是邏輯低，從而在高低閾值之間保持400mV的不確定狀態(tài)。

 

可通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)故障安全偏置：

 

●  選擇在接收器中具有內(nèi)置故障安全輸入閾值的收發(fā)器。

●  添加外部電阻，以在空載總線上產(chǎn)生外部偏置。

 

兩種方法都可以確保總線上的邏輯高狀態(tài)。閱讀博文：“RS-485基礎(chǔ)：故障安全偏置網(wǎng)絡(luò)的兩種方法。

 

3. 如何計(jì)算RS-485總線上的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)？

 

RS-485是多點(diǎn)差分總線，意味著總線上的所有節(jié)點(diǎn)都共享一個(gè)公共傳輸介質(zhì)。隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)增加，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載也將隨之增加。

 

電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）/ EIA-485標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建了一個(gè)假設(shè)的單位負(fù)載（UL），以幫助計(jì)算RS-485總線上的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：驅(qū)動(dòng)器必須能夠在最多32個(gè)單元負(fù)載上并行驅(qū)動(dòng)至少1.5V差分信號(hào)，并在總線的兩端分別連接兩個(gè)120Ω終端電阻。

 

公式1表示輸入電壓除以漏電電流后最壞情況下的比值來(lái)計(jì)算輸入電阻。在確定了節(jié)點(diǎn)的輸入電阻后，可使用公式2計(jì)算RS-485總線上的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)：

 

輸入電阻=最大（V_IN/I_leakage）（1）

 

節(jié)點(diǎn)數(shù)= 32 /輸入電阻（2）

 

4. 如何了在恰當(dāng)時(shí)間需要在節(jié)點(diǎn)之間添加一根地線？

 

設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，必須假設(shè)存在一些接地電位差。這些電壓會(huì)給發(fā)射機(jī)輸出增加共模噪聲Vn。即使總疊加信號(hào)處在接收機(jī)的輸入共模范圍內(nèi)，依靠當(dāng)?shù)氐牡仉娢徊钭鳛榉祷仉娏鞯目煽柯窂揭彩遣话踩摹＝拥仉娢徊睿℅PD）超出接收器的共模范圍時(shí)（在長(zhǎng)電纜和大電流負(fù)載的情況下經(jīng)常發(fā)生），需要使用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)。

 

圖2：遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)配置：獨(dú)立的接地點(diǎn)（a）；直接連接的遠(yuǎn)程接地（b）；器件接地和本地系統(tǒng)接地的分離（c）

 

圖2a所示為可能從電氣安裝的不同部分汲取功率的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。對(duì)安裝的任何變動(dòng)（例如在維護(hù)工作期間）均可將GPD以至于超出接收器的輸入共模范圍的程度。因此可能會(huì)導(dǎo)致目前正工作的數(shù)據(jù)鏈路將來(lái)停止運(yùn)行。

 

也不建議通過(guò)接地線直接連接遠(yuǎn)程接地（圖2b），因?yàn)橹苯舆B接會(huì)導(dǎo)致大的接地回路電流作為共模噪聲耦合到數(shù)據(jù)線。

 

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接地的直接連接，RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議通過(guò)插入電阻器將設(shè)備接地與本地系統(tǒng)接地分開(kāi)（圖2c）。雖然這種方法降低了環(huán)路電流，但由于存在一個(gè)大接地環(huán)路使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)環(huán)路其他地方產(chǎn)生的噪聲保持敏感。因此，尚未建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路。

 

要在強(qiáng)健的RS-485數(shù)據(jù)鏈路上遠(yuǎn)距離承受高達(dá)數(shù)千伏的GPD，最佳方法是將總線收發(fā)器的信號(hào)和電源線與其本地信號(hào)和電源進(jìn)行電流隔離。這種情況下，電源隔離器（例如隔離的DC / DC轉(zhuǎn)換器）和信號(hào)隔離器（例如數(shù)字電容隔離器）可防止電流在遠(yuǎn)程系統(tǒng)接地之間流動(dòng)，并避免產(chǎn)生電流環(huán)路。

 

5. RS-485的長(zhǎng)度與速度建議值是多少？

 

在額定的數(shù)據(jù)速率下，最大總線長(zhǎng)度受限于傳輸線損耗和信號(hào)抖動(dòng)。由于在波特率為10％或以上的抖動(dòng)，數(shù)據(jù)可靠性急劇下降，因此圖3所示為傳統(tǒng)RS-485電纜在信號(hào)抖動(dòng)10%的情況下的電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率特性。

 

圖3：電纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率建議

 

在圖3上，標(biāo)有1號(hào)的圓圈代表電纜長(zhǎng)度較短時(shí)的高數(shù)據(jù)速率區(qū)域。此處，可忽略傳輸線的損耗。數(shù)據(jù)速率主要取決于驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間。盡管該標(biāo)準(zhǔn)建議使用10 Mbps，但如今的快速接口電路可以高達(dá)50 Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。

 

圖3中的紅色2號(hào)代表從短數(shù)據(jù)線到長(zhǎng)數(shù)據(jù)線的過(guò)渡。必須考慮較長(zhǎng)傳輸線的損耗。因此，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，數(shù)據(jù)速率必須降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，線路長(zhǎng)度[m]與數(shù)據(jù)速率[bps]的乘積應(yīng)為10⁷。

 

紅色的3代表低頻范圍，其中電纜串聯(lián)電阻和線路端接的相互作用會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。在某個(gè)點(diǎn)，信號(hào)的振幅變得比接收機(jī)能夠正常檢測(cè)到的幅度要小（即不超過(guò)V_IT閾值）。

 

6. 如何估計(jì)RS-485的功耗？

 

要計(jì)算功耗，可將功率分為幾部分。當(dāng)器件在沒(méi)有外部負(fù)載的情況下通電時(shí)，功耗將用于集成電路本身。如果在輸出引腳上增加負(fù)載，則驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功率將從器件中抽取。由于RS-485具有差分信號(hào)，因此負(fù)載通常添加在A和B引腳之間。

 

在圖4中，藍(lán)色軌跡，PDic，是器件消耗的功率。對(duì)于低數(shù)據(jù)速率，功耗主要來(lái)自電阻負(fù)載（紅色跡線），PDdc。對(duì)于高數(shù)據(jù)速率，需考慮電容性負(fù)載的功耗（綠色跡線）PDac。

 

圖4：計(jì)算功耗扇區(qū)

 

公式3計(jì)算總功耗為：

 

PDtotal = PDic + PDdc + PDac                      (3)

 

如需計(jì)算總功耗，必須首先計(jì)算出每個(gè)部分的功率。器件功耗參見(jiàn)公式4，其中靜態(tài)電源電流Icc在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定：

 

PDic = Vcc*Icc                                    (4)

 

如果將電阻性負(fù)載置于總線上，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓（Vod），如公式5和6所示，其中C是寄生電容，它包括收發(fā)器的電容、負(fù)載的電容和跡線電容。數(shù)據(jù)頻率f也包括在計(jì)算中。

 

PDdc = Vcc*I – I²*R = (Vcc – I*R)*I                           (5)

 

PDac = 2*2C*f*Vcc*Vod                              (6)

 

閱讀博文：“如何計(jì)算高速RS-485收發(fā)器的功耗”。

 

7. 如何保護(hù)RS-485接口免受靜電釋放（ESD）影響？

 

ESD保護(hù)有多種類(lèi)型，包括人體模型、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）接觸放電和IEC氣隙放電。如果一個(gè)收發(fā)器具有集成了IEC ESD（例如德州儀器的THVD1450或THVD1500），則無(wú)需外部組件就可在指定收發(fā)器的電平上保護(hù)RS-485接口免受ESD的影響。

 

例如，在沒(méi)有任何外部元件的情況下，THVD1450可以支持18-kV IEC 61000-4-2接觸放電。市場(chǎng)上許多器件都沒(méi)有這種集成，因此需要外部瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。閱讀博文：“如何根據(jù)額定電壓為RS-232、RS-485和CAN選擇TVS二極管。”

 

8. 如何了解是否需要外部TVS二極管？

 

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須在惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行。由ESD、感應(yīng)負(fù)載的切換或雷擊引起的電氣過(guò)應(yīng)力瞬變會(huì)破壞數(shù)據(jù)傳輸并損壞總線收發(fā)器，除非采取有效措施來(lái)減少瞬態(tài)影響。

 

德州儀器器件已根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試：

 

 

9. 如何防止高電壓短路？

 

在許多RS-485應(yīng)用中，存在著不慎將通信線連接到電源線的風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)在現(xiàn)場(chǎng)安裝的系統(tǒng)中特別高，如HVAC系統(tǒng)、照明控制或其他樓宇自動(dòng)化應(yīng)用等現(xiàn)場(chǎng)安裝的系統(tǒng)中。這些情況下，必須確保RS-485收發(fā)器不會(huì)損壞，以避免昂貴的現(xiàn)場(chǎng)退貨和重新安裝風(fēng)險(xiǎn)。

 

雖然像TVS二極管之類(lèi)的箝位元件能夠限制瞬態(tài)事件中收發(fā)器觀察到的最大電壓，但它們通常無(wú)法防止較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力（例如DC短路）。為防止這些情況，需要一些串聯(lián)限流元件。一種典型的方法是使用正溫度系數(shù)（PTC）電阻器。該電阻在標(biāo)稱(chēng)條件下的電阻較低，但在故障條件下，當(dāng)大電流流過(guò)時(shí)（例如，流過(guò)TVS等箝位裝置），電阻就會(huì)變大。德州儀器參考設(shè)計(jì)“保護(hù)RS-485收發(fā)器免受持續(xù)高電壓/電氣過(guò)應(yīng)力的參考設(shè)計(jì)”中可看到使用THVD1500收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)方式的示例。

 

但是，使用這些額外的串聯(lián)限流和并聯(lián)電壓箝位元件可能會(huì)很昂貴，并占用寶貴的PCB空間。因此，大多數(shù)情況下，更優(yōu)化的方法是使用能夠耐受這些高故障電壓而無(wú)需外部保護(hù)的收發(fā)器。THVD2450就是一個(gè)示例。其額定承受直流短路電壓可達(dá)+/- 70V。

 

 

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