RS-485/RS-422接口為何在停止通信時接收器仍有數(shù)據(jù)輸出？

時間：2025-01-16 16:09:49

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[導讀]這是一種串行通信協(xié)議，主要用于工業(yè)自動化、樓宇自動化、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。它支持多點通信，允許多個設(shè)備共享同一通信線路，具有很好的抗干擾能力。

?RS485線和網(wǎng)線的主要區(qū)別在于它們的用途、傳輸特性、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及應用場景。??12用途和傳輸特性

?RS485線?：這是一種串行通信協(xié)議，主要用于工業(yè)自動化、樓宇自動化、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。它支持多點通信，允許多個設(shè)備共享同一通信線路，具有很好的抗干擾能力。RS485線采用差分信號傳輸，能夠抑制共模干擾，適合長距離通信需求(最大可達1200米)。

?網(wǎng)線?：基于以太網(wǎng)技術(shù)，廣泛應用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)。它支持高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接。網(wǎng)線通常用于需要大帶寬和復雜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的應用，如視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心等。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

?RS485線?：采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。它通過一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

?網(wǎng)線?：支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括星型、環(huán)型等。這種靈活性使得網(wǎng)線在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接中具有更大的應用范圍。

應用場景

?RS485線?：適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、樓宇自動化(如電梯控制、照明控制)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)(如安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測)等。由于其穩(wěn)定性和抗干擾能力，RS485在需要可靠通信的環(huán)境中非常受歡迎。

?網(wǎng)線?：廣泛應用于企業(yè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接，適合高速數(shù)據(jù)傳輸需求，如視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心等。網(wǎng)線的帶寬大，支持復雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸需求。

對RS-422與RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般要使用終接電阻進行匹配。但在短距離與低速率下可以不用考慮終端匹配。那么在什么情況下不用考慮匹配呢?理論上，在每個接收數(shù)據(jù)信號的中點進行采樣時，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。但這在實際上難以掌握，美國MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗性的原則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配：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MAX483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(24AWGPVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kb/s以內(nèi)、電纜長度不超過16米，采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。

一般終端匹配采用終接電阻方法，前文已有提及，RS-422在總線電纜的遠端并接電阻，RS-485則應在總線電纜的開始和末端都需并接終接電阻。終接電阻一般在RS-422網(wǎng)絡(luò)中取100Ω，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中取120Ω。相當于電纜特性阻抗的電阻，因為大多數(shù)雙絞線電纜特性阻抗大約在100～120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。

另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配，利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折衷。

還有一種采用二極管的匹配方法，這種方案雖未實現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質(zhì)量的目的。節(jié)能效果顯著。

RS-422與RS-485的接地問題

電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當往往會導致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-422與RS-485傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因為接地系統(tǒng)不合理會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下，對于接地的要求更為嚴格。否則接口損壞率較高。很多情況下，連接RS-422、RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有下面二個原因：

1、共模干擾問題：正如前文已述，RS-422與RS-485接口均采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相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。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如RS-422共模電壓范圍為-7～+7V，而RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。以圖1為例，當發(fā)送驅(qū)動器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送驅(qū)動器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VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-422與RS-485標準均規(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超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

2、(EMI)問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道(信號地)，就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓VGPD被短路。

這條信號地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。

值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，由于干擾源內(nèi)阻大，短接后不會形成很大的接地環(huán)路電流，對于通信不會有很大影響。當共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信。筆者認為，可以采取以下三種措施：

(1)如果干擾源內(nèi)阻不是非常小，可以在接地線上加限流電阻以限制干擾電流。接地電阻的增加可能會使共模電壓升高，但只要控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)就不會影響正常通信。

(2)采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路。這是較常用也是十分有效的一種方法，當共模干擾內(nèi)阻很小時上述方法已不能奏效，此時可以考慮將引入干擾的節(jié)點(例如處于惡劣的工作環(huán)境的現(xiàn)場設(shè)備)浮置起來(也就是系統(tǒng)的電路地與機殼或大地隔離)，這樣就隔斷了接地環(huán)路，不會形成很大的環(huán)路電流。

(3)采用隔離接口。有些情況下，出于安全或其它方面的考慮，電路地必須與機殼或大地相連，不能懸浮，這時可以采用隔離接口來隔斷接地回路，但是仍然應該有一條地線將隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。

RS-422與RS-485的網(wǎng)絡(luò)失效保護

RS-422與RS-485標準都規(guī)定了接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，如前文所述，當接收器A電平比B電平高+200mV以上時，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機在發(fā)端發(fā)完一個信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時沒有任何信號驅(qū)動總線，使AB之間的電壓在-200～+200mV直至趨于0V，這帶來了一個問題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機的輸出為0V，網(wǎng)絡(luò)中從機將把其解釋為一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠不會有停止位，產(chǎn)生一個幀錯誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200mV的情況外，開路或短路時也會出現(xiàn)這種情況。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。

通常是在總線上加偏置，當總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200mV)。如圖1。將A上拉到地，B下拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，具體數(shù)值隨電纜的電容變化而變化。

上述方法是比較經(jīng)典的方法，但它仍然不能解決總線短路時的問題，有些廠家將接收門限移到-200mV/-50mV，可解決這個問題。

RS-422與RS-485的瞬態(tài)保護

前文提到的信號接地措施，只對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號而言就是相當于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。

實際應用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞RS-422或RS-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

1、隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便。這種方案的優(yōu)點是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實現(xiàn)起來也比較容易，缺點是成本較高。

2、旁路保護方法。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運用，如圖1。在這種方法中，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進行隔離，旁路元件則保護隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿。

采用RS485接口時，傳輸電纜的長度如何考慮?

在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線徑，從發(fā)生器到負載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。最大電纜長度與信號速率的關(guān)系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜(線徑為0.511mm)，線間旁路電容為52。5PF/M，終端負載電阻為100歐時所得出。當數(shù)據(jù)信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度被限制在1200M。在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。

如何實現(xiàn)RS-485/422多點通訊

RS-485總線上任何時候只能有一發(fā)送器發(fā)送。半雙工方式，主從只能一個發(fā)。全雙工方式，主站總可發(fā)送，從站只能有一個發(fā)送。

RS-485/RS422接口通訊時，在什么條件下需要采用終端匹配?電阻值如何確定?如何配置終端匹配電阻?

在長線信號傳輸時，一般為了避免信號的反射和回波，需要在接收端接入終端匹配電阻。其終端匹配電阻值取決于電纜的阻抗特性，與電纜的長度無關(guān)。

RS-485/RS-422一般采用雙絞線(屏蔽或非屏蔽)連接，終端電阻一般介于100至140Ω之間，典型值為120Ω。在實際配置時，在電纜的兩個終端節(jié)點上，即最近端和最遠端，各接入一個終端電阻，而處于中間部分的節(jié)點則不能接入終端電阻，否則將導致通訊出錯。

RS-485網(wǎng)不知道最遠站點是哪一個，應該如何接匹配電阻呢?

會出現(xiàn)這種情況，是由于用戶組成RS-485網(wǎng)時，沒有遵循站點至總線的連線應盡可能短的原則。如果總線布線遵循這一原則，就不存在不知道哪個站點是最遠的問題。而且要注意，這樣的布線，系統(tǒng)將會工作得不好。