概述

串行数据通信的协议从rs-232到千兆位以太网，虽然每种协议都有特定的应用领域，但任何情况下我们都必须考虑成本和物理层(phy)性能。本文主要介绍rs-485协议及该协议所适合的应用。同时给出了根据电缆长度、系统设计以及元件选择来优化数据速率的方法。

传输协议

什么是rs-485？profibus又是什么？与其它串行协议相比，它们的性能如何？适用于哪些应用？为了回答这些问题，我们对rs-485物理层(phy)、rs-232和rs-422的特性、功能进行了总体比较[1] (本文中的rs表示ansieia/tia标准)。rs-232是一个最初用于调制解调器、打印机及其它pc外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特，后来速率提高至1mbps。rs-232的其它技术指标包括：标称±5v发送电平、±3v接收电平(间隔/符号)、2v共模抑制、2200pf最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器(负载)阻抗、100英尺(典型值)最大电缆长度。rs-232只用于点对点通信系统，不能用于多点通信系统，所有rs-232系统都必须遵从这些限制。

rs-422是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。rs-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50mbps。接收器共模范围为±7v，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。

rs-485标准

rs-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有rs-422的要求，而且比rs-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7v至+12v)。

接收器输入灵敏度为±200mv，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mv或低于-200mv。最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为±1.5v (最小值)、±5v (最大值)。

驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。rs-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。

采用典型的24awg双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。rs-485已经成为pos、工业以及电信应用中的最佳选择。较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境(如工厂车间)下的数据传输。更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。

profibus和fieldbus[2]总线主要用于工业设备，是rs-485总线的扩展。用于工业环境的传感器测量、激励控制、数据采集/显示以及过程控制系统与传感器、激励源网络之间的数据通信。

注意：老式或现有的工业设备布线架构比较复杂，不可替换。

profibus和fieldbus是对系统的整体描述。rs-485支持profibus和fieldbus协议的物理层接口标准。profibus与fieldbus存在细微的差异，profibus要求2.0v的最小差分输出电压，54的负载电阻；fieldbus则要求1.5v的最小差分输出电压，54的负载电阻。profibus传输速率为12mbps，fieldbus的传输速率为500kbps。profibus应用对摆率和电容容限要求比较严格。

最适合的应用领域？

rs-232：用于与调制解调器、打印机及其它pc外设之间的通信。最大电缆长度为100英尺(典型值)。

rs-422：适用于单主机(驱动器)工业环境。典型应用包括：过程自动化(化工、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、hvac、安防、电机控制、运动控制等。

rs-485：适用于多主机/驱动器工业环境。其典型应用与rs-422相似，包括：过程自动化(化工、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、hvac、安防、电机控制、运动控制。

哪些因素限制了rs-485的数据速率？

定的传输距离下，下列因素限制了传输速率：

电缆长度：在特定频率下，信号强度会随着电缆长度而衰减。

电缆架构：5类24awg双绞线是rs-485系统最常用的电缆，屏蔽电缆可大大增强噪声抑制能力，提高了一定距离下的数据传输速率。

电缆特性阻抗：分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度，从而降低噪声裕量、补偿“眼图模板”特性。分布电阻直接导致信号电平的衰减。

驱动器输出阻抗：阻抗过高会限制驱动能力。

接收器输入阻抗：阻抗过低会限制与驱动器通信的接收器数量。

终端匹配：长电缆可看作传输线。电缆上应接阻值等于电缆特性阻抗的终端匹配电阻，可以 降低信号反射，并提高数据速率。

噪声裕量：越大越好。

驱动器摆率：降低边沿速率(降低信号摆率)允许采用较长的电缆进行通信。

经验数据

了解了以上相关的背景知识，接下来我们研究一个实际系统，如图1所示。图中所示电缆是rs-485系统最为常用的一种：eia/tia/ansi568 5类双绞线。在长度为300英尺至900英尺的电缆上可以获得的数据速率为1mbps至35mbps。

图1. 测试装置

系统设计人员经常从两个不同厂商选择驱动器和接收器，多数设计人员最关注的是rs-485驱动器的传输距离和速度。maxim驱动器(这里指max3469)与其它制造商的驱动器性能比较如图2、图3所示。

图2. 在特定比特率、电缆长度下的抖动特性，抖动是在±100mv差分信号下测量的

图3. 在特定比特率、电缆长度下的抖动指标，抖动是在0v差分信号下测量的

通过观察驱动器的差分输出信号的完整性，利用示波器确定80mv与-400mv之间的翻转门限(由于接收器具有200mv至-200mv的输入范围和噪声裕量，因此选取这一门限范围)。然后，当脉冲(比特)开始“传送”时，用眼图确定失真度、噪声以及码间干扰(isi)。

isi指标限制了比特率，以保证系统能够在脉冲之间识别出传输数据。对图1电路的测试结果表明翻转门限与眼图模板之间具有相关性。该眼图模板存在50%的抖动，按照nationalsemiconductor的应用笔记#977[3]所介绍的方法进行测量。测量0v差分信号和±100mv差分信号下的抖动，得到图4和图5所示数据。

图4.maxim的max3469与其它rs-485驱动器件的眼图对比[4]

图5.max3469的眼图

对于一个点到点通信系统，从±100mv差分信号(图4)或0v差分信号(图5)下的测试结果可以看出比特率与电缆长度的关系。+100mv和-100mv门限能够正确切换差分信号大于200mv的信号，因此，该门限值可确保接收器正确接收数据(图5数据仅适用于可在0v差分输入下切换的理想接收器)。

眼图和故障模式

采用340英尺的5类电缆，图2给出了39mbps传输速率下的驱动器输出眼图，图中，信号从“眼”的中间穿过 - 这种情况表明可能出现误码。然而，在相同数据速率下，maxim公司的器件不会出现这种情况(图3)。maxim的收发器具有对称的输出边沿和较低的输入电容，性能良好。

采用上述测试对两款驱动器进行比较。当数据速率较高、电缆较长时，maxim驱动器的性能更出色。图5给出点对点网络中maxim器件的传输速率和距离的估计值。根据经验，所产生的误码大致符合50%抖动极限的要求。

各方研究数据

在工业领域，通常可接受的传输距离和数据速率的最大值分别为4000英尺和10mbps，当然这两个值不能同时满足。然而，利用最新器件和精细的系统设计，可在较长的电缆下实现较高的数据吞吐率。

预加重[5]是一种改善数据速率与距离间关系的技术，可用于rs-485通信(图6)。采用1700英尺电缆，工作在1mbps固定数据速率，没有预加重驱动器或均衡接收器的rs-485收发器通常具有10%的抖动。在相同速率下，增加驱动器预加重可使距离加倍，达到3400英尺，而且不会提高抖动。同样，距离一定时采用预加重能提高数据速率。速率为400kbps，电缆长度为4000英尺时，无预加重的驱动器通常具有10%的抖动。而采用预加重可使该距离下的传输速率提升至800kbps。

图6. 数据速率与电缆长度的关系图

另一种估算可靠传输的最大电缆长度的方法是：利用5类电缆制造商提供的幅度衰减与频率的关系表。根据通用规则，电缆工作时最大允许的信号衰减是-6dbv。该数值结合厂家提供的衰减数据，计算出给定频率下的最大电缆长度。

应用技巧

rs-485收发器具有多种改善系统性能的特性：

预加重(上文所述)：降低码间干扰

降低接收器单位负载：低负载器件可低至1/8单位负载，允许总线上挂接最多256个器件。这种器件还可降低总线负载，从而允许较长的电缆和较高的传输速率。

高速器件：目前可提供数据速率高达52mbps的驱动器，这种高速器件须特别注意保持低传输延迟和低偏差。

esd保护：esd保护不会提高数据速率，但会改善系统工作或数据速率为0 (开路)时的可靠性。目前能够提供±15kv的内置esd保护。

正确的接线[6]：rs-485用于差分传输，除地线外还需要两条信号线来传输数据(通常为24 awg双绞线)。这两条信号线传送极性相反的信号，大大减少了emi辐射和emi干扰问题。电缆的特性阻抗一般为120，这也是电缆末端终端匹配电阻的阻值 ― 目的在于降低反射和其它线路的影响。图7、图8给出了正确的系统连接。

图7. 单发/单收网络

结论

所述，rs-485网络可在噪声环境下实现可靠的数据传输。设计系统时需要对数据速率、电缆长度进行折衷考虑，能够在几百米长的电缆上实现高于50mbps的数据速率，而不需使用任何中继器。