RS485总线的原理与应用设计

RS485总线的原理与应用设计 摘 要 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。 随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复 本文在第一章阐述RS-485总线理论，第二章简述了通信领域中RS-485的特点。最后在第三章中介绍了RS-485应用中的一些细节问题。 关键词:RS-485 总线 网络 i 目 录 摘 要 ..................................................... i 目 录 .................................................... ii 第1章 前 言 ............................................. 1 第2章 RS-485总线 ......................................... 2 2.1 概述 .................................................. 2 2.2 RS-485总线的理论 ...................................... 2 第3章 通信领域中的RS485 .................................. 4 3.1 RS-485总线特点 ........................................ 4 3.1.1 阻抗不连续 ..................................... 4 3.1.2 RS-485接地问题 ................................ 4 3.1.3 RS-485的总线结构及传输距离 .................... 5 3.2 影响RS-485总线速度和可靠性的三个因素 ................. 5 3.2.1 在通信电缆中的信号反射 ......................... 5 3.2.2 在通讯电缆中的信号衰减 ......................... 7 3.2.3 在通讯电缆中的纯阻负载 ......................... 8 3.3 RS-485总线的负载能力和电缆长度之间的关系 .............. 9 3.4 分布电容对RS-485总线传输性能的影响 .................. 10 第4章 RS-485的应用 ...................................... 12 4.1 RS-485的电源选择 ..................................... 12 4.2 RS-485的硬件设计 ..................................... 12 4.3 RS-485网络的建立 ..................................... 13 4.4 提高RS-485通信效率 .................................. 13 4.5 RS-485系统的维护 ..................................... 15 第5章 结束语 ............................................. 15 致 谢 .................................. 错误～未定义书签。17 ii 参考文献 ................................ 错误～未定义书签。18 iii 第1章 前 言 随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。针对RS-232-C的不足，出现了一些新的接口标准， RS,485的电气标准就是其中的一种。RS,485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输;最大传输距离可以达到1.2 km;最大可连接32个驱动器和收发器;接收器最小灵敏度可达?200 mV;最大传输速率可达2.5 Mb/s。由此可见，RS,485 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准 1 第2章 RS-485总线 2.1 概述 针对RS-232-C的不足，出现了一些新的接口标准， RS,485的电气标准就是其中的一种。RS,485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输;最大传输距离可以达到1.2 km;最大可连接32个驱动器和收发器;接收器最小灵敏度可达?200 mV;最大传输速率可达2.5 Mb/s。由此可见，RS,485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。 2.2 RS-485总线的理论 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。 RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总 线，具体规格要求: 接收器的输入电阻RIN?12kΩ 驱动器能输出?7V的共模电压 输入端的电容?50pF 在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) 接收器的输入灵敏度为200mV(即(V+)-(V-)?0.2V，表示信号"0";(V+)-(V-)?-0.2V，表示信号"1") 因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。 基于此，RS-485的自动化领域的应用非常广泛，但是在实际工程中RS-485总线运用仍然存在着很多问题，影响了工程的质量，为工程施工 2 带来了很多的不方便。 3 第3章 通信领域中的RS485 3.1 RS-485总线特点 3.1.1 阻抗不连续 信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，就是尽量保持传输线阻抗连续，实际工程中在电缆线的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻的原理就是为了减小信号反射。 从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效的减少信号反射。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽量去避免它。 3.1.2 RS-485接地问题 仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来，而不对RS-485通信链路的信号接地，在某些情况下也可以工作，但给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图1所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD，那 4 么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS?3V，但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏)，并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围，在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信，重则损坏设备。 3.1.3 RS-485的总线结构及传输距离 RS-485支持半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。 3.2 影响RS-485总线速度和可靠性的三个因素 3.2.1 在通信电缆中的信号反射 在通信过程中，有两种信号因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图3-1所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端 5 电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图3-2所示。 图3-1 由于阻抗不连续引起的信号反射 图3-2 终端电阻的正确连接 从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。 引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。 信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。 在信号分析，衡量反射信号强度的参数是RAF(Refection Attenuation Factor反射衰减因子)。它的计算公式如式(1)。 RAF=20lg(Vref/Vinc) (1) 式中:Vref—反射信号的电压大小;Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。 6 具体的测量方法如图3-3所示。例如，由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V，反射信号的峰-峰值为+0.297V，则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时，它的反射衰减因子为: RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB 图3-3 测量反射信号的大小 要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理，后面将做详细介绍。 3.2.2 在通讯电缆中的信号衰减 第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路，如图3-4所示。 图3-4 传输电缆等效电路图 电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。PROFIBUS用的LAN 7 标准型二芯电感(西门子为DP总线选用的标准电缆)，在不同波特率时的衰减系数如表1所示。 表3-1 电缆的衰减系数 通讯波特率 16MHz 4MHz 38.4kHz 9.6kHz 衰减体系数 ?42dB ?22dB ?4dB ?2.5dB (1km) 3.2.3 在通讯电缆中的纯阻负载 影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载(也叫直流负载)的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三者构成。 图3-5 带32个节点的通讯网络等效电路图 在叙述EIA RS-485 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点，配置了150Ω终端电阻的情况下，至少能输出1.5V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12kΩ，整个网络的等效电路如图3-5所示。按这样计算，RS-485驱动器的负载能力为: RL=32个输入电阻并联||2个终端电阻=((12000/32)×(150/2))/(12000/32)+(150/2))?51.7Ω 现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驱动器负载能力可以达到20Ω。在不考虑其它诸多因素的情况下，按照驱动能力和负载的关系计算，一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。 8 图3-6 偏置电阻配置图 在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。偏 -6。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线置电阻的连接方法如图3 上没有数据时(空闲方式)的电平拉离0电平，如图3-7。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。 图3-7 偏置电阻对反射信号的影响 3.3 RS-485总线的负载能力和电缆长度之间的关系 在设计RS-485总线组成的网络配置(总线长度和带负载个数)时，应该考虑到三个参数:纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数，在前面已经讨论过，现在要讨论的是噪声容限 9 (Noise Margin)。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。在实际应用中，为了提高总线的抗干扰能力，总希望系统的噪声容限比EIA RS-485标准中规定的好一些。从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系: V=0.8(V-V-V-V) (3) enddriverlossnoisebias 其中:Vend为总线末端的信号电压，在标准测定时规定为0.2V;Vdriver为驱动器的输出电压(与负载数有关。负载数在5,35个之间，Vdriver=2.4V;当负载数小于5，Vdriver=2.5V;当负载数大于35，Vdriver?2.3V);Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗(与通讯电缆的规格和长度有关)，由表1提供的标准电缆的衰减系数，根据公式衰减系数b=20lg(Vout/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注:通讯波特率为9.6kbps，电缆长度1km，如果特率增加，Vloss会相应增大);Vnoise为噪声容限，在标准测定时规定为0.1V;Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压(典型值为0.4V)。 8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式(3)式(3)中乘以0. 可以看出，Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比，Vloss的大小和总线长度成反比，其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此，在选定了驱动器的RS-495总线上，在通信波特率一定的情况下，带负载数的多少，与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是:在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小;带负载数据少，信号能传输的距离就发越远。 3.4 分布电容对RS-485总线传输性能的影响 电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的 10 表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中，例如0x01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的电荷，来不及放电，(Vin+)—(Vin-)-还大于200mV，结果使接爱误认为是“0”，而最终导致CRC校验错误，整个数据帧传输错误。具体过程如图3-8所示。 图3-8 放电不及时导致数据接收错误 由于总线上分布影响，导致数据传输错误，从而使整个网络性能降低。解决这个问题有两种方法: (1)降低数据传输的波特率; (2)使用分布电容小的电缆，提高传输线的质量。 11 第4章 RS-485的应用 从目前解决MCU之间中长距离通信的诸多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分析来看，RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，在消防、水文、水利自动报测、楼宇控制等工程中被广泛使用。但RS-485总线存在自适应、自保护功能脆弱、通信效率低等缺点，如不注意一些细节的处理常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。 4.1 RS-485的电源选择 对于由MCU结合RS-485微系统组建的测控网络，应优先采用各微系统独立供电方案，最好不要采用一台大电源给微系统并联供电，同时电源线(交直流)不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上双绞线而不是平直线。对于每个小容量直流电源选用线性电源LM7805比选用开关电源更合适。当然应注意LM7805的保护: 1、LM7805输入端与地应跨接220~1000μF电解电容; 2、LM7805输入端与输出端反接1N4007二极管; 3、LM7805输出端与地应跨接470~1000μF电解电容和104pF独石电容并反接1N4007二极管; 4、输入电压以8~10V为佳，最大允许范围为6.5~24V。可选用TI的PT5100替代LM7805，以实现9~38V的超宽电压输入。 4.2 RS-485的硬件设计 RS-485芯片供电电压为4.5~5.5V，可与MCU共用5V电源。因RS-485总线为并接式二线制接口，一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”，因此对其二线口VA、VB与总线之间应加以隔离。一种简单可行的方法是: VA、VB与总线之间各串接一只4~10Ω的PTC电阻，同时与地之间各跨接5V的TVS二极管以消除线路浪涌干扰。如没有PTC电阻和TVS二极管可用普通电阻和稳压管代替。为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)负跳变(RO的负跳变是通信接收的关键)，建议将RO外接10kΩ上拉电阻。对于收发控制端TC建议采用MCU引脚通过反相器进行控制，不宜采用MCU引脚直接进行控制以防止MCU上电时对总线的干扰。对外置设备为防止强电磁(雷电)冲击，建议选用TI的75LBC184等防雷击芯片。 4.3 RS-485网络的建立 RS-485网络通常采用特性阻抗为120Ω双绞线作传输介质，传输速率300b/s~115.2kb/s兼容，为异步半双工结构。网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如75LBC184标称最大值为64点，MAX1487E标称最大值为128点。实际使用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际接点数均达不到理论值。例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上节点数超过50或速率大于9.6kb/s时工作可靠性明显下降。根据笔者经验，节点数应按最大值的70%选取，传输速率在1200~9600b/s之间选取，通信距离1km以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离1km以上时应通过增加中继模块或降低速率的方法提高传输可靠性。 理论上讲，RS-485节点与主干之间距离即T头越短越好。T头小于10m的节点采用T型连接对网络匹配并无太大影响，可放心使用，但对于节点间距非常小(小于1m，如LED模块组合屏)应采用星型连接，若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机(PC)应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布，同时位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射。 13 4.4 提高RS-485通信效率 RS-485通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中，相对于RS-232等全双工总线效率低了许多，因此选用合适的通信协议及控制方式非常重要。 1、总线稳态控制(握手信号)大多数使用者选择在数据发送前1ms将收发控制端TC置成高电平，使总线进入稳定的发送状态后才发送数据;数据发送完毕再延迟1ms后置TC端成低电平，使可靠发送完毕后才转入接收状态。据笔者使用TC端的延时有4个机器周期已满足要求; 2、为保证数据传输质量，对每个字节进行校验的同时，应尽量减少特征字和校验字。惯用的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码、尾码组成，每个数据包长度达20~30字节。在RS-485系统中这样的协议不太简练，因此向大家介绍适合RS-485使用的MODBUS标准协议。MODBUS协议采用下传8个字节，上传7个字节的方式进行通信，现已广泛使用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中。 MODBUS协议规定:上位机发送8个字节召测指令，其中地址、设备类别、通信路由、指令类别、指令长度、指令各占1个字节，CRC校验码占2个字节;下位机应答7个字节，地址、设备类别、数据长度各占1个字节，数据、CRC校验码各占2个字节。 MODBUS协议规定CRC校验规则:CRC初始化为&HFFFF(CRC_L=&HFF,CRC_H=&HFF),将CRC_L与传输的第一个字节进行异或运算，然后将CRC进行右移(不循环)并判断:如移出的位为1，则CRC再与&HA001进行一次异或运算;如移出的位为0，则CRC不变。如此右移8次即完成第一个字节的校验，重复上述运算及右移直至将全部字节校验完毕，所生成的CRC(16位)即为传输校验码。 14 4.5 RS-485系统的维护 RS-485是一种低成本、易操作的通信系统，但是稳定性弱同时相互牵制性强，通常有一个节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断。故向读者介绍一些维护RS-485的常用方法。 1、若出现系统完全瘫痪，大多因为某节点芯片的VA、VB对电源击穿，使用万用表测VA、VB间差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反之越远; 2、集中供电的RS-485系统在上电时常常出现部分节点不正常，但每次又不完全一样。这是由于对RS-485的收发控制端TC设计不合理，造成微系统上电时节点收发状态混乱从而导致总线堵塞。改进的方法是将各微系统加装电源开关然后分别上电; 3、总线连续几个节点不能正常工作。一般是由其中的一个节点故障导致的。一个节点故障会导致邻近的2~3个节点(一般为后续)无法通信，因此将其逐一与总线脱离，如某节点脱离后总线能恢复正常，说明该节点故障; 4、系统基本正常但偶尔会出现通信失败。一般是由于网络施工不合理导致系统可靠性处于临界状态，最好改变走线或增加中继模块。应急方法之一是将出现失败的节点更换成性能更优异的芯片; 尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作。但实际测量:一个运行良好的系统其差模电压一般在1.2V左右(因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.8~1.5V范围内)。 虽然RS-485总线存在一些缺点，但只要处理好细节，性能还是比较稳定的。 15 第5章 结 论 RS-485总线是一种用来连接小型控制器的简单网络，成本非常低，容易实现并且具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离、冲突保护等特性，它是由RS-422演变而来的，普遍用在许多工业应用中，经过以上的软硬件共同处理，RS-485总线在应用系统工程中的可靠性大大提高，在通常的环境条件下，24小时连续开机，系统的通信始终处于正常状态，整机性能满足了现场工程的需要。但是RS-485总线仍然只是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据的冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适宜用RS-485总线。同时由于RS-485总线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典型的集中,分散型控制系统。一旦主机出现故障，会使整个系统的通信陷于瘫痪状态，因此做好主机的在线热备份是一个重要措施。尽管RS-485总线存在这样那样的问题，但由于它的线路设计简单、价格低廉、控制方便，只要合理的使用在某些场所仍然能发挥良好的作用。但还需要考虑合理的应用和网络布局、连续的信号通道、周全的保护措施等，在设计之初就应有总体规 -485总线的数据传输距离会划。随着光纤通信和以太网技术的发展，RS 更远。