在通信過程中，信號(hào)反射引起的信號(hào)有兩種：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。如果阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜，阻抗很小。即使沒有，信號(hào)也會(huì)在這個(gè)地方引起反射。這種信號(hào)反射的原理類似于光從一種介質(zhì)反射到另一種介質(zhì)。

為了消除這種反射，必須在電纜頂部連接與電纜特性尺寸相同的終端電阻，以保持電纜阻抗。因?yàn)樾盘?hào)在電纜上的傳輸是雙向的，所以理論上在通信電纜的另一端連接相同大小的終端電阻。在傳輸電纜的末端，只要終端電阻接在電纜特性阻抗上，就永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射。但在應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性與通信波特速率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能完全等于終端電阻，因此信號(hào)反射仍然會(huì)是靜止的。

信號(hào)反射的另一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。由此產(chǎn)生的主要表現(xiàn)在通信線路閑置時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

歸根結(jié)底，信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懯怯捎诜瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器的輸入端比較敏感，使接收器收到錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

影響信號(hào)傳輸?shù)牡诙€(gè)因素是電纜傳輸過程中信號(hào)的衰減。傳輸電纜可視為由分布電容、分布電感和電阻組成的等效電路。

RS-485通訊雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。以下是對(duì)RS-485通訊缺點(diǎn)的歸納：

敷設(shè)困難：

RS-485總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)只能以串行布線，不能構(gòu)成星形等任意分支。串行布線對(duì)于小區(qū)實(shí)際布線設(shè)計(jì)及施工造成很大難度，不遵循串行布線規(guī)則又將大大降低通訊的穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)冗余量較大：

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于協(xié)議本身的特性，可能會(huì)產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)冗余，這在一定程度上影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?

主機(jī)故障影響大：

在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，如果主機(jī)出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，因?yàn)橹鳈C(jī)通常負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的通信。

通信速率受限：

RS-485的通信速率受到傳輸距離的限制。當(dāng)傳輸距離增加時(shí)，為了保證通信的穩(wěn)定性，通常需要降低通信速率。此外，常用波特率相對(duì)較低，如9600bps，這在一定程度上限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托省?

連接設(shè)備數(shù)量有限：

雖然RS-485支持多設(shè)備連接，但連接的設(shè)備數(shù)量越多，線路越復(fù)雜，通信穩(wěn)定性越難以保證。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，連接的設(shè)備數(shù)量通常受到限制。

信號(hào)衰減問題：

在長距離傳輸時(shí)，由于信號(hào)衰減和噪聲干擾等原因，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或丟失的情況。這需要對(duì)傳輸線路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和維護(hù)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

維護(hù)成本高：

由于RS-485網(wǎng)絡(luò)通常需要較長的傳輸距離和多個(gè)連接點(diǎn)，因此維護(hù)和故障排查的成本相對(duì)較高。特別是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，維護(hù)和故障排查可能更加困難。

電氣性能穩(wěn)定性較差：

RS-485總線自身的電氣性能決定了其在實(shí)際工程應(yīng)用中穩(wěn)定性較差。在多節(jié)點(diǎn)、長距離場合需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗匹配等調(diào)試，增添了工程復(fù)雜性。

總線不帶隔離：

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體或局部的癱瘓，且難以判斷故障位置。這增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度和成本。

過壓保護(hù)問題：

RS-485收發(fā)器工作電壓較低(5V左右)，其本身耐壓也非常低(-7V~+12V)。在長距離傳輸(1200米以上)時(shí)，總線通常暴露于戶外，極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^電壓。一旦過壓引入，就會(huì)擊穿損壞通信節(jié)點(diǎn)，且受損后無法恢復(fù)。因此，必須采取多種措施對(duì)RS-485總線進(jìn)行保護(hù)。

影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素

1、在通信電纜中的信號(hào)反射

在通信過程中，有兩種信號(hào)因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖1所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。

消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。

引起信號(hào)反射的另個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF(RefectionAttenuationFactor反射衰減因子)。它的計(jì)算公式如式(1)。

RAF=20lg(Vref/Vinc)(1)

式中：Vref-反射信號(hào)的電壓大小;Vinc-在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。

具體的測量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗(yàn)測得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號(hào)的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線路中，如何通過加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細(xì)介紹。

在通訊電纜中的信號(hào)衰減

第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。

電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對(duì)信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。PROFIBUS用的LAN標(biāo)準(zhǔn)型二芯電感(西門子為DP總線選用的標(biāo)準(zhǔn)電纜)，在不同波特率時(shí)的衰減系數(shù)。

在通訊電纜中的純阻負(fù)載

影響通訊性能的第三個(gè)因素是純阻性負(fù)載(也叫直流負(fù)載)的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。

在敘述EIARS-485規(guī)范時(shí)曾提到過RS-485驅(qū)動(dòng)器在帶了32個(gè)節(jié)點(diǎn)，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖5所示。按這樣計(jì)算，RS-485驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力為：RL=32個(gè)輸入電阻并聯(lián)||2個(gè)終端電阻=((12000/32)×(150/2))/(12000/32)+(150/2))≈51.7Ω

現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載的關(guān)系計(jì)算，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可帶節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個(gè)。

在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時(shí)(空閑方式)的電平拉離0電平。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號(hào)或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會(huì)由于這些信號(hào)的到來而產(chǎn)生誤動(dòng)作。通過下面后例子了，可以計(jì)算出偏置電阻的大?。航K端電阻Rt1=Rr2=120Ω;

假設(shè)反射信號(hào)最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負(fù)半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號(hào)引起的反射電流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一般RS-485收發(fā)器(包括SN75176)的滯后電壓值(hysteresisvalue)為50mV，即：

(Ibias-Iref)×(Rt1||Rt2)≥50mV

于是可以計(jì)算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流Ibias≥3.33mA

+5V=Ibias(R上拉+R下拉+(Rt1||Rt2))(2)

通過式2可以計(jì)算出R上拉=R下拉=720Ω

在實(shí)際應(yīng)用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：

(1)把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。

(2)在一段總線上只用一對(duì)偏置電阻。這種方法對(duì)總線上存在大的反射信號(hào)或干擾信號(hào)比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載。

RS-485總線的負(fù)載能力和通訊電纜長度之間的關(guān)系

在設(shè)計(jì)RS-485總線組成的網(wǎng)絡(luò)配置(總線長度和帶負(fù)載個(gè)數(shù))時(shí)，應(yīng)該考慮到三個(gè)參數(shù)：純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減和噪聲容限。純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減這兩個(gè)參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限(NoiseMargin)。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應(yīng)該大于200mV。前面的論述者是在假設(shè)噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高總線的抗干擾能力，總希望系統(tǒng)的噪聲容限比EIARS-485標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負(fù)載的多少和通訊電纜長度之間的關(guān)系：Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)

其中：Vend為總線末端的信號(hào)電壓，在標(biāo)準(zhǔn)測定時(shí)規(guī)定為0.2V;Vdriver為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓(與負(fù)載數(shù)有關(guān)。負(fù)載數(shù)在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V;當(dāng)負(fù)載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V;當(dāng)負(fù)載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V);Vloss為信號(hào)在總線中的傳輸過程中的損耗(與通訊電纜的規(guī)格和長度有關(guān))，由表1提供的標(biāo)準(zhǔn)電纜的衰減系數(shù)，根據(jù)公式衰減系數(shù)b=20lg(Vout/Vin)可以計(jì)算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長度1km，如果特率增加，Vloss會(huì)相應(yīng)增大);Vnoise為噪聲容限，在標(biāo)準(zhǔn)測定時(shí)規(guī)定為0.1V;Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓(典型值為0.4V)。

式(3)中乘以0.8是為了使通信電纜不進(jìn)入滿載狀態(tài)。從式(3)可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負(fù)載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長度成反比，其他幾個(gè)參數(shù)只和用的驅(qū)動(dòng)器類型有關(guān)。因此，在選定了驅(qū)動(dòng)器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負(fù)載數(shù)的多少，與信號(hào)能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：

在總線允許的范圍內(nèi)，帶負(fù)載數(shù)越多，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就越小;帶負(fù)載數(shù)據(jù)少，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠(yuǎn)。

分布電容對(duì)RS-485總線傳輸性能的影響

電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對(duì)總線傳輸性能的影響，主要是因?yàn)榭偩€上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號(hào)“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)“1”到來時(shí)，由于分布電容中的電荷，來不及放電，(Vin+)-(Vin-)-還大于200mV，結(jié)果使接愛誤認(rèn)為是“0”，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。

由于總線上分布影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能降低。解決這個(gè)問題有兩種方法：

(1)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?

(2)使用分布電容小的電纜，提高傳輸線的質(zhì)量。

單工、半雙工和全雙工的定義

1、如果在通信過程的任意時(shí)刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。

2、如果在任意時(shí)刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個(gè)方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。

3、如果在任意時(shí)刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號(hào)傳輸，則稱為全雙工。

電話線就是二線全雙工信道。由于采用了回波抵消技術(shù)，雙向的傳輸信號(hào)不致混淆不清。雙工信道有時(shí)也將收、發(fā)信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號(hào)，如回線傳輸。