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兆越 RS-485总线的理论与运用

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RS-485总线的理论与运用
 
     本文介绍了RS-485总线的理论,RS-485总线系统在数据通信过程中存在的问题 ,以及RS-485的实际工程中的应用。
1、概述
    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
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,为工程施工带来了很多的不方便。
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,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。
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、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方案设计
   以下以一个例子来说明RS-485的应用:
  一个大学食堂有三层,有12台POS机,每层楼有4台POS机,他们是RS-485的接口,控制POS机的电脑接RS-232接口,传统的解决方案是:
 采用这种老式布线结构存在以下几种缺陷。
 

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