| 概述 串行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議從RS-232到千兆位以太網(wǎng),雖然每種協(xié)議都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域,但任何情況下我們都必須考慮成本和物理層(PHY)性能。本文主要介紹RS-485協(xié)議及該協(xié)議所適合的應(yīng)用。同時(shí)給出了根據(jù)電纜長(zhǎng)度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及元件選擇來優(yōu)化數(shù)據(jù)速率的方法。 傳輸協(xié)議 什么是RS-485？Profibus又是什么？與其它串行協(xié)議相比,它們的性能如何？適用于哪些應(yīng)用？為了回答這些問題,我們對(duì)RS-485物理層(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能進(jìn)行了總體比較[1] (本文中的RS表示ANSIEIA/TIA標(biāo)準(zhǔn))。RS-232是一個(gè)最初用于調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)的通訊標(biāo)準(zhǔn),提供單端20kbps的波特,后來速率提高至1Mbps。RS-232的其它技術(shù)指標(biāo)包括：標(biāo)稱±5V發(fā)送電平、±3V接收電平(間隔/符號(hào))、2V共模抑制、2200pF最大電纜負(fù)載電容、300最大驅(qū)動(dòng)器輸出電阻、3k最小接收器(負(fù)載)阻抗、100英尺(典型值)最大電纜長(zhǎng)度。RS-232只用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng),不能用于多點(diǎn)通信系統(tǒng),所有RS-232系統(tǒng)都必須遵從這些限制。 RS-422是單向、全雙工通信協(xié)議,適合嘈雜的工業(yè)環(huán)境。RS-422規(guī)范允許單個(gè)驅(qū)動(dòng)器與多個(gè)接收器通信,數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式,速率最高可達(dá)50Mbps。接收器共模范圍為±7V,驅(qū)動(dòng)器輸出電阻最大值為100,接收器輸入阻抗可低至4k。 RS-485標(biāo)準(zhǔn) RS-485是雙向、半雙工通信協(xié)議,允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器掛接在總線上,其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都能夠脫離總線。該規(guī)范滿足所有RS-422的要求,而且比RS-422穩(wěn)定性更強(qiáng)。具有更高的接收器輸入阻抗和更寬的共模范圍(-7V至+12V)。
接收器輸入靈敏度為±200mV,這就意味著若要識(shí)別符號(hào)或間隔狀態(tài),接收端電壓必須高于+200mV或低于-200mV。最小接收器輸入阻抗為12k,驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為±1.5V (最小值)、±5V (最大值)。 驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載,即允許總線上并聯(lián)32個(gè)12k的接收器。對(duì)于輸入阻抗更高的接收器,一條總線上允許連接的單位負(fù)載數(shù)也較高。RS-485接收器可隨意組合,連接至同一總線,但要保證這些電路的實(shí)際并聯(lián)阻抗不高于32個(gè)單位負(fù)載(375)。 采用典型的24AWG雙絞線時(shí),驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗的最大值為54,即32個(gè)單位負(fù)載并聯(lián)2個(gè)120終端匹配電阻。RS-485已經(jīng)成為POS、工業(yè)以及電信應(yīng)用中的最佳選擇。較寬的共模范圍可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電纜、嘈雜環(huán)境(如工廠車間)下的數(shù)據(jù)傳輸。更高的接收器輸入阻抗還允許總線上掛接更多器件。 Profibus和Fieldbus[2]總線主要用于工業(yè)設(shè)備,是RS-485總線的擴(kuò)展。用于工業(yè)環(huán)境的傳感器測(cè)量、激勵(lì)控制、數(shù)據(jù)采集/顯示以及過程控制系統(tǒng)與傳感器、激勵(lì)源網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。 注意：老式或現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備布線架構(gòu)比較復(fù)雜,不可替換。 Profibus和Fieldbus是對(duì)系統(tǒng)的整體描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus協(xié)議的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。Profibus與Fieldbus存在細(xì)微的差異,Profibus要求2.0V的最小差分輸出電壓,54的負(fù)載電阻;Fieldbus則要求1.5V的最小差分輸出電壓,54的負(fù)載電阻。Profibus傳輸速率為12Mbps,Fieldbus的傳輸速率為500kbps。Profibus應(yīng)用對(duì)擺率和電容容限要求比較嚴(yán)格。 最適合的應(yīng)用領(lǐng)域？ RS-232：用于與調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)及其它PC外設(shè)之間的通信。最大電纜長(zhǎng)度為100英尺(典型值)。
RS-422：適用于單主機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)工業(yè)環(huán)境。典型應(yīng)用包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制等。 RS-485：適用于多主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器工業(yè)環(huán)境。其典型應(yīng)用與RS-422相似,包括：過程自動(dòng)化(化工、釀造、造紙)、工廠自動(dòng)化(汽車制造、金屬加工)、HVAC、安防、電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制。 哪些因素限制了RS-485的數(shù)據(jù)速率？
在指定的傳輸距離下,下列因素限制了傳輸速率：
電纜長(zhǎng)度：在特定頻率下,信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著電纜長(zhǎng)度而衰減。
電纜架構(gòu)：5類24AWG雙絞線是RS-485系統(tǒng)最常用的電纜,屏蔽電纜可大大增強(qiáng)噪聲抑制能力,提高了一定距離下的數(shù)據(jù)傳輸速率。
電纜特性阻抗：分布電容和分布電感會(huì)降低信號(hào)的邊沿速度,從而降低噪聲裕量、補(bǔ)償“眼圖模板”特性。分布電阻直接導(dǎo)致信號(hào)電平的衰減。
驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗：阻抗過高會(huì)限制驅(qū)動(dòng)能力。
接收器輸入阻抗：阻抗過低會(huì)限制與驅(qū)動(dòng)器通信的接收器數(shù)量。
終端匹配：長(zhǎng)電纜可看作傳輸線。電纜上應(yīng)接阻值等于電纜特性阻抗的終端匹配電阻,可以 降低信號(hào)反射,并提高數(shù)據(jù)速率。
噪聲裕量：越大越好。
驅(qū)動(dòng)器擺率：降低邊沿速率(降低信號(hào)擺率)允許采用較長(zhǎng)的電纜進(jìn)行通信。 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 了解了以上相關(guān)的背景知識(shí),接下來我們研究一個(gè)實(shí)際系統(tǒng),如圖1所示。圖中所示電纜是RS-485系統(tǒng)最為常用的一種：EIA/TIA/ANSI 568 5類雙絞線。在長(zhǎng)度為300英尺至900英尺的電纜上可以獲得的數(shù)據(jù)速率為1Mbps至35Mbps。 |
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