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    RS485串口通信技术




    RS232C属于平衡半双工双点对传传输协议,而RS485支持多点传送的半双工平衡传输协议,它们的区别除了一个是点对点,一个是多点对多点外,传输距离也是有很大差别的。


    一、连线


    通常的RS485(正规名称是TIA/EIA-485-A)是使用平衡双线连接的。一共三条线分别为信号正、信号副和地线。数据信号在传输以前是非平衡的,经过差分放大器后变成了平衡信号。




    采用平衡连接的传输线其目的就是为了大幅度减少外界的干扰电平信号,它的原理和我们音频中使用平衡传输是一样的。理想的平衡传输信号其两个正负极(1+2+输入)电平是时间上的严格对齐,1+的高电平,对应2+的低电平,反之亦然




        尽管传输RS485信号可以采用任何导电导线,但是通常是使用双绞线来连接为最佳。


    二、为什么使用双绞线


    从字面上解释双绞线就是一对长度相等的金属丝互相螺旋状拧在一起的导线对。为什么要使用双绞线传输RS485信号呢?那是为了解决在长距离的高速网络中存在的两个主要问题:EMI辐射干扰和EMI接收干扰。


    1、辐射干扰:在高速传输数据的时候,接收端是依靠高低电平的垂直边沿(上升沿/下降沿)来判断数据的变化的,频率越高,边沿变化的越快,相应的高频奇次谐波含量也越高。下图是125kHz方波信号的FFT照片,由图上我们可以看出它在5MHz上还有很大的谐波能量。


     

    由于高频方波本身的辐射问题,再加之长线传输(此时的长线相当于发射天线),其对外 的辐射特性得到了加强。使用双绞线则可以有效地抑制这种辐射干扰。其实它的原理很简单,当两条平行对绞天线在辐射电磁波的时候,由于工作电平是反相,所以辐射电磁波将被抵消。


    当然完全抵消只是个理论数值,抵消效果取决于对绞线的长度是不是完全一致,以及对绞密度和线间的紧合度,这些都是和对绞线的制作工艺有很大的关系。所以我们可能会发现,用一些比较高档的线(比如Belden9841)可以传输更远的RS485信号,而且误码率很低。


    2、接收干扰:这是针对接收端来说的抵抗干扰的能力。上面我们谈到高频传输线基本上相当于一个天线,当天线以对绞的方式传输反相信号的时候会抵消辐射电平。同样的原理,它也会帮助接收端抵消输入的噪声信号。外部输入来的“无用”噪声信号在完全相等长度和均匀对绞的线对里面是以“共模信号(大小相同,方向相同)”存在的;而有用的信号在这里是以“差模信号(大小相同,方向相反)”存在的。而对接收端的差分放大器而言,它只接收差模信号而抑制共模信号(差分放大器有个电参数叫共模抑制比CMRR,一般大于60dB为优)。


    三、双绞线的特性阻抗


    双绞线的特性阻抗和其它高频电缆一样。要主意的是,特性阻抗和电阻是不同的概念。电阻可以用万用表测出来,特性阻抗不能测。(阻抗是电阻和电抗的统称,电阻部分是针对直流电路来说的,这部分用万用表可以测量,但是电抗是指电缆间的容抗和感抗之和,电抗只是对交流信号有作用,信号的频率越高,这种表现就越明显)。


    电抗的单位也是欧姆,它的大小取决于双绞线的线径、绝缘体的导电能力(介电常数)、绝缘体和铜线的排列位置等。尽管TIA/EIA-485-A里面没有特别指明这个特性阻抗的数值,一般地厂商都是将这个数值定在120Ω。




    上图我们可以看出来,双绞线的特性阻抗从任何位置看都是处处相等的。高频传输电缆和我们在低频的导线不同,高频传输中,信号在任何环节的阻抗都必须相等,否则就会出现反射。


    信号反射会引起误码率的升高以及传输距离缩短。从前面对阻抗的分析可以开出来,高频传输双绞线若避免产生信号反射,主要取决于制线的工艺水平。要求阻抗“处处相等”就要求铜材和绝缘体的一致性,以及缠绕的均匀性。在使用过程中我们也要注意,对双绞线挤压、踩踏、卷曲等都会导致绝缘体与铜线之间的相对位置的改变而造成阻抗失配,失配将引起信号的反射。


    一般来说,一个RS485网络是必须要加入终端电阻的,而且这个电阻的阻值必须和双绞线匹配。对于一个标准的RS485双绞线电缆来说,终端电阻应该和双绞线阻抗一致的120Ω。按照下图的方式分别连接不同的终端电阻进行测量,看看连接54Ω和120Ω两种电阻的电平传递失真特性。





    从上图我们可以看出来,对于120Ω特性阻抗的双绞线来说,失配会引起比较强烈的反射,导致传输信号出现失真,引起误码。由于阻抗失配导致的信号反射失真率可以用下面的公式来计算:


    终端电阻的加装位置也是非常重要的,严格上讲,它只能连接到双绞线的两个端点,而且应该是两端都加的。在实际应用中,一般发送器都是只有1个,所以这种情况下发送端就可以不加这个电阻了,因为它已经没有反向的电流了。


    我们在实践中可能发现这样的问题,就是在一端加上了终端电阻,但是要小于120Ω,有时候小到60Ω才起作用。这是因为你使用的双绞线阻抗不正确导致的。通常的廉价的RS485传输线由于制造工艺的原因,阻抗是很不准确的,而且是变化的很厉害,这样会导致信号来回反射。此时如果加入了个小电阻,会加大传送器的输出电流。但是这样做的结果是传输距离的大大缩短,可能要下降到150米以内了。


    不过双绞线的特性阻抗我们一般是无法测量的,所以单纯从说明书上也很难判断。前面我们举例的美国Belden9841双绞线在国内的零售价在10/米,它的工艺就非常好,数据的稳定性和传输距离都接近理论值(距离达到1000米左右)。


    现在的很多RS485终端设备在端口处都已经自带了120Ω的终端电阻了(参见设备指标说明),这样的设备连接就无须另外加终端电阻了。







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