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干货分享 |  【干货分享】一文精通RS485的边角料

阿甘 2019-09-16 09:59:37

导语

RS485作为常见的总线之一,几乎每个工控设备都在用,我们也对其熟悉不过了。但是RS485的细节知识,恐怕就很多人就不熟悉了。举个例子,很多工程师可能都遇到老板这样发问:你这个485的隔离功能能不能去掉,为了隔离我要多花15元成本,我一年发货100W台,这是1500W的成本啊。要是你答不出个一二三来,场面是不是很尴尬。

RS485已经是很成熟很常见的功能电路了,本文就不多介绍其常规的知识了,专介绍有关于RS485的边角料,为了让读者更直观,本文采取问答式的思路。专家类可以跳过问答过程,直接看文尾的结论亦可

一、 有关RS485的问答

1. RS485为什么需要隔离?什么情况下可以不用隔离?

答:这问题是老板最喜欢问的,因为增加RS485,成本直接飙升15元左右(隔离电源7元左右,隔离芯片及周边电路8元左右),因此我们把该问题放到第一位,篇幅也最多。需要隔离的原因有三个:

1) 设备及人身安全——高压的影响。

RS485用于设备之间的通信,很多时候,研发人员根本不知道客户拿自己的设备与什么类型的设备通信,万一对方是一个利用几块钱的阻容降压原理将220V降压到12V,与电网完全没有隔离,测试、调试、使用就会非常危险,或者是高压设备绝缘损坏,RS485线上带高压,就会威慑设备和人身的安全。

图1;追求超低成本的阻容降压方案


2) 远端接受异常——电势差的影响

许多实际应用中,通信距离可达几千米,节点之间的距离很远。设计者常常直接将每个节点的参考地接于本地的大地,作为信号的返回地,看似正常可靠的做法,实际的大地并不是理想的“0”电位,大地也是导体,也存在阻抗。当大的电流流过大地时,流过电流的大地两端也会存在电势差。例如下图2,由于AB较远,参考地之间并不是 0 电位,地线的阻抗也不会是 0,由于电流环路的作用,在A端的电压啊是Vs,在B端就变成了Vc+Vs。

图2;过长的线缆导致较大的电位差


3) 数据异常,器件损坏——地环路的影响

既然节点之间的大地存在电势差,那直接用一根线将两个节点的地再连起来不就可以了?大错特错!这样做只能使情况更加严重,这根长长的导线会与大地形成一个极大的地环路!相信大家在学生时代就知道,一个闭合线圈在变化的磁场里面就会产生电流。50Hz的交流电力线、大型电机等,都是交流磁场的来源,若总线靠近或经过这些地方,地环路就会产生电流高达数安培甚至上百安培。电流流过地环路产生的共模电压就会影响总线的正常通信,除了稳定的磁场来源,一些电力线的浪涌、雷击、高频噪声等瞬态干扰都有可能被这个巨型的“环形天线”拾取,并造成通信异常。

图3;地环路导致耦合干扰


了解上述的原理,下次老板要降本,问你能不能删除隔离的时候,就让老板做三个保证:第一,保证我们的设备不会接到有可能高压的设备或者有高压短路风险的场景。第二,保证RS485的布线不要超过100米;第三;保证现场没有强磁、强电、大功率的设备。有着三个保证,就可以向老板保证:可以不要隔离。

2. 有没有低成本的过压、短路的RS485保护电路?

答:RS485由于经常使用在工业现场,工人的技能参次不齐,不排除会不小心链接到过压、过流的场景。可以参考以下的保护电路,使用可恢复保险管+TVS管配合使用,正常接线时,TVS不导通,呈现高阻状态,一旦接入高压,TVS导通,电流增大,PTC阻抗也增大并且发热,最终PTC断开,整个回路得以保护,详细的计算过程参考创意栈之前发布的《TVS用于常规的过压保护》,里面有详细的参数计算 过程。

图4;PTC+TVS用于RS485的保护


3. 对比RS232,RS485有哪些优点?

答:对比RS232的缺点:只能点对点通信占用过多接口、通信距离较短(十几米),单端信号存在共模干扰等缺点,RS485存在以下的优点:

(1) 通信距离远,抗干扰性强:RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力;总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200 mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。最远可达上千米。

(2) 布线简单、节省端口资源:RS-485总线用于多点互连时非常方便,可省掉许多信号线。

(3) 通信速率较高:RS232异步通信时,速率只有10kbps,而RS485最高可达10Mbps。

4. RS485传输速率和传输距离的关系是怎么样的?

答:很多小伙伴看到RS485无中继最远可以传输1200米很兴奋,以为什么速率都可以达到,其实不然,速率越高,电缆的趋肤效应越严重,信号衰减越快,关于传输距离和速率的关系,相关的文献较少,基于美信在RS485领域的权威,我们可以参考美信的估算方法:

线缆长度(m)X 传输速率(bps)<10^7

举例:速率为9600bps时,线缆长度<10^7/9600=1041M;


图5;美信公司建议的速率与距离的关系

5. 有关RS485匹配的技巧?

答:很多初学的工程师看到别人做到RS485基本都有一个匹配电阻,就部分青红皂白,加上去再说,并没有理解其中的原理。RS485的匹配主要是为了解决信号的反射问题,但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢?但这在实际上难以掌握,美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配:当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。

T上升或下降时间(ns)>3 x 信号传输时间(ns)


举例:MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns(24AWG PVC电缆),那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米,采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。

RS-422在总线电缆的远端并接电阻,RS-485则应在总线电缆的开始和末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422中取100Ω,在RS-485中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100~120Ω。这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合。

如果需要追求低功耗,一种比较省电的匹配方式是RC匹配,如下图。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷,RC匹配的方法只适用于低速和短距离,但是低速和短距离基本不用匹配也可以,所以我们在实际中很少遇到RC匹配的情况。

图6;始端和终端匹配

图7;RC匹配方法


6. RS485最多可以多少个负载?

答:很多初学的工程师以为RS485可以连接256个节点,因为地址空间是1Byte。还有人说是32个,64个,128个,其实这些说法都没有错,因为这些都是理论值。事实上,根据RS485的规范,RS-485的“节点数”主要是依“接收器输入阻抗”而定;标准RS-485接口的输入阻抗为≥12kΩ,对应的标准驱动节点数为32个。为适应更多节点的通信场合,有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载(≥24kΩ)、1/4负载(≥48kΩ)甚至1/8负载(≥96kΩ),相应的节点数可增加到64个、128个和256个。但是实际设计过程中,还要考虑线缆长度的影响和RS485线缆上传输协议的限制,例如MODBUS寻址范围就是31个,只能接31个从节点。

图8;RS485节点

7. RS485为什么要接地?

答:很多初学的工程师以为RS485由于是差分传输,高低电平由A和B的差值决定,并不需要地线参考,接地是多余的。这种想法是错的,原因如下:

(1);共模干扰问题:收发器有一定的共模电压范围,如RS-422共模电压范围为-7~+7V,而RS-485收发器共模电压范围为-7~+12V,只有满足上述条件,整个网络才能正常工作,当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠,甚至损坏接口。

(2);EMI问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路,如没有一个低阻的返回通道,就会以辐射的形式返回源端,整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。有了接地回路,回路就变成了地线,辐射大幅度降低。

总结

以下,我们针对上述的7个问答进行总结:

(1) 隔离问题:隔离是为了人身/设备安全,消除电势差,保护接口芯片。如果没有安全问题,距离较短,干扰较小,可以不采用隔离方案。

(2) 低成本的RS485保护:利用TVS和PTC的配合,实现低成本的RS485过压和过流保护,成本可以做到0.5元人民币以内。

(3) RS485优点:传输距离远、抗干扰强、速率较高,布线简单,节约端口。

(4) 传输距离:传输距离和速率是强关联:线缆长度(m)X 传输速率(bps)<10^7;

(5) 匹配问题:是否需要匹配和传输距离和速率有关:T上升或下降时间(ns)>3 x 信号传输时间(ns)

(6) 节点数量:节点数量和RS485芯片的输入阻抗有关,标准规范的RS485阻抗是12KΩ,结点数量32个。

(7) 接地:接地可以有效降低共模干扰和EMI问题。


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