RS-485總線的應(yīng)用原則是什么？有哪些特點？

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和計算機日益廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在一個系統(tǒng)往往由多臺計算機組成，需要解決多站、遠距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡單、價格低廉、能進行長距離通信的優(yōu)點使其得到了廣泛的應(yīng)用。

在某公寓樓的水表遠傳系統(tǒng)中，采用了RS-485總線進行水表抄讀數(shù)據(jù)的傳輸，共208只水表掛在總線上。下面是選定RS-485總線的根據(jù)和在應(yīng)用調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法。

RS-485的應(yīng)用原則

RS-485支持半雙工或全雙工模式。網(wǎng)絡(luò)拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來。從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。

標準沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線負載為32個單位負載（UL），可通過增大收發(fā)器輸入電阻來擴展總線節(jié)點數(shù)。例如輸入電阻增加至48kΩ以上（1/4UL），節(jié)點數(shù)就可增加至128個，SP485R的輸入電阻為150kΩ，節(jié)點數(shù)最多可增加至400個。在本系統(tǒng)中有208只水表，所以采用了SP485R。

是否對RS-485總線進行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個數(shù)據(jù)位的中點采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低，就可以不考慮匹配。當考慮終端匹配時，有多種匹配方案可以選擇，最簡單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻，比較省電的匹配方案是RC匹配，采用二極管的匹配方案節(jié)能效果顯著。

經(jīng)驗表明，當信號的轉(zhuǎn)換時間上升或下降時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口器件SP483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns（24AWG PVC電纜），那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)，電纜長度不超過16米，采用SP483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。

RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線。引出線過長時由于信號在引出線中的反射也會影響總線上的信號質(zhì)量，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)，下面的經(jīng)驗公式可以用來估算引出線的最大長度。

Lmax=（tRISE·0.2m/ns）/10

以SP483為例，對應(yīng)于250ns的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為5米。

減緩信號的前后沿斜率有利于降低對于總線匹配引出線長度的要求和改善信號質(zhì)量，同時還可使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射。因此有些接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，由此看來在選擇接口器件時并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求選擇最低速率的器件。

僅僅用一對雙絞線將各個接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號并不需要對于某個參照點來檢測信號系統(tǒng)，只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V至+12V）的條件下才能正常工作。當共模電壓超出此范圍，就會影響通信的可靠直至損壞接口。如圖1所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。

在系統(tǒng)的調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)樓層低和距離采集器比較近的水表讀數(shù)能很順利地抄讀傳輸上來，而其他水表則有很多抄讀不到。經(jīng)過實地勘察和分析，發(fā)現(xiàn)了兩個問題：

（1）網(wǎng)絡(luò)布局不合理。這時的結(jié)構(gòu)近似樹形，但RS-485總線不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。同時，由于總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，或者是有過長的分支線引出總線，都會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點。所以應(yīng)該提供一條單一連續(xù)的信號通道作為總線。根據(jù)這一原則對網(wǎng)絡(luò)進行了大的整改，采用單一總線將各個節(jié)點串接起來，同時進行接地處理，如圖2所示。再次集抄的結(jié)果比先前要好，但還是有部分水表抄讀不到或數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，未達到預(yù)期效果。表1是整改前后水表抄讀的情況。

表1 整改前后情況比較

RS-485總線的應(yīng)用原則是什么？有哪些特點？

（2）波特率過高，致使傳輸距離受限。當前的波特率14400是為了減小傳輸時間而設(shè)置的。但是由于傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗引起信號畸變，從而通信距離受到限制。又由于損耗與頻率有關(guān)，故隨著數(shù)據(jù)率的增加通信距離減小。表2是通過實地測試得到的數(shù)據(jù)。

表2 傳輸距離和傳輸速率的關(guān)系

RS-485總線的應(yīng)用原則是什么？有哪些特點？

由表2看出，當波特率降低到1200以下時，所有表都可以抄讀成功。實驗表明，最高波特率在1200時，208只表可以一次抄讀成功。在此基礎(chǔ)上，對各種常用波特率下系統(tǒng)能抄讀到的最遠距離進行測試。

可以看出，在110～1200波特率時，數(shù)據(jù)傳輸完全正確，但隨著波特率的提高，傳輸距離呈下降趨勢。所以在傳輸速度允許的情況下，應(yīng)當盡可能地降低波特率。另外，進一步完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會在保證準確程度的前提下提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。