前世今生
RS-485,RS是什么意思呢?是Recommended Standard的縮寫,就是推薦標準的意思。485是標準標識號,至于為什么定這個標識號,則無需深究。RS-485又稱為ANSI/TIA/EIA-485,這幾個前綴是標準協(xié)會的名稱縮寫,比如EIA就是電子工業(yè)協(xié)會 (Electronics Industries Association EIA)的縮寫。1983年,RS-485通訊接口被電子工業(yè)協(xié)會 (Electronics Industries Association EIA)批準為一種通訊接口標準。
即便在現(xiàn)在IOT火熱的今天,RS-485仍然有大量的應(yīng)用。很多協(xié)議使用RS-485作為物理層,比如常用標準協(xié)議使用RS-485作為物理層的有哪些呢?比如:
電氣特性
信號采樣差模傳輸,差模是相對于共模而言的,差模也稱為差分,那么什么樣的傳輸是差模呢?一圖勝千言,看下面兩個圖就明白了:
采用共模傳輸方式時,共模噪聲將會疊加在最終的輸出信號上面,污染了原始的信號。
而采用差模傳輸方式,則源端發(fā)出的信號+與信號-相位是相反的,而對于共模噪聲而言在+/-兩條線上都會存在,理想情況是等幅同相的,而接收端,相當于一個減法器,有用信號由于相位相反則經(jīng)過減法器仍然保留,而噪聲則會被抵消。而實際電路中,則會大幅度削弱。
由此可見,差模傳輸相對于共模傳輸方式,優(yōu)勢在于差模方式可以有效抵消共模干擾。
差模方式在有的地方又稱為平衡模式,而共模模式也稱為非平衡模式。
在A/B信號的邊緣處,波形都略微有些變形,但是你看A-B做差(紅色的為示波器的MATH減功能,為A-B),邊沿則變得非常的干凈!這例子就可以很好地說明差模傳輸可以有效的抵抗共模干擾。
電氣參數(shù)
可支持32個多點拓撲連接,見下面的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
使用40英尺線纜時,傳輸速率可達10Mbps,1英尺相當于30.48cm,這里Mbps是兆bit/s的意思
使用4000英尺線纜時,傳輸速率可達到100kbps
最小差分電壓容限:200mV,也就是說接收端在差分電壓低于200mV時就無法正確識別0/1了。這句話應(yīng)該怎么理解呢?
上面這個圖怎么理解呢?RS-485收發(fā)器的發(fā)送電路至少提供1.5V差分電壓輸出能力,經(jīng)由總線線路阻抗衰減,32個接收電路輸入阻抗,以及120?端接電阻,差分信號的幅度必然逐漸衰減,那么至最末端還需要至少提供200mV的差分電壓給末端接收電路。
: 對于接收電路是判決A線共模電壓與B線共模電壓之差:
簡單說就是,A線的[敏感詞]電壓值比B線的至少大于200mV則識別為邏輯1,或者A線的[敏感詞]電壓值比B線的至少小200mV,才識別為邏輯0
這里的參數(shù),應(yīng)該是在一定特征阻抗線纜時的理論值,實際工程使用的時候需要做相應(yīng)的調(diào)整以及現(xiàn)場測試。一般以不超出這個理論極限為好。
說到電氣特性參數(shù),首先來看看一般的接口電路:
RS-485通信從單片機/DSP/處理器接口而言,是利用UART接口與RS-485收發(fā)器接口。當然你說我用FPGA難道不行么?肯定是可以的,用FPGA實現(xiàn)一個串口收發(fā)的IP模塊,當然也是可以的。甚至你想說,我拿GPIO去模擬一下 UART 是不是就不行?也是能辦得到的,只不過這么干意義不大,需要占用CPU資源實現(xiàn)底層BIT的收發(fā)。
前面說到半雙工,有半雙工就有全雙工。什么是半雙工呢?首先半雙工以及全雙工,所界定的對象一定是點對點而言的,這里說點對點就是指在同一時刻而言 , 所謂半雙工,就是設(shè)備在同一時刻要么處于收數(shù)據(jù)狀態(tài), 要么處于發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài), 不允許同時收發(fā)數(shù)據(jù)。
全雙工則剛好相反,允許同時收發(fā)。比如 I2C 總線就是半雙工總線,4線制 SPI 是全雙工,而三線制SPI則是半雙工總線;又譬如RS-422或者RS-232 是全雙工接口;而CAN總線則是半雙工總線。RS-485就是一種半雙工總線:
當Host發(fā)送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)沿著紅色的線經(jīng)由雙絞線,傳輸至Slave的差分接收電路,當slave應(yīng)答時,數(shù)據(jù)沿著蘭色的方向傳輸至Host的接收電路,但是傳輸介質(zhì)是一對雙絞線,所以一方在傳輸數(shù)據(jù)的時候,另一方是無法傳輸信號的,從收發(fā)器的控制角度來看:
控制芯片側(cè),用一個GPIO腳來控制收發(fā)使能,來一張芯片內(nèi)部原理框圖,就很容易理解了:
當DIR=0時,接收電路使能
,發(fā)送電路禁止DE=0,對總線而言相當于高阻;當 DIR=1 時,接收電路使能
,發(fā)送電路禁止DE=1,對總線A/B信號取決于DI的信號。這里有兩個問題:
1.為什么芯片要把
和
設(shè)計成相反的有效邏輯呢?這樣其實也是方便用一個GPIO同時控制收發(fā)電路的考慮。
2.那收發(fā)器芯片收發(fā)使能為什么不做成一個腳呢?比如就叫DIR?做成兩個腳收/發(fā)也可以用兩個腳單獨控制,比如:
甚至可以在DE=1的時候,將
設(shè)置為0,這樣是不是就可以自環(huán)了?產(chǎn)品中也可以就這樣設(shè)計,可以實現(xiàn)收發(fā)器以及布線的自診斷,通過接收到的報文與發(fā)送出去的報文比較,可以診斷出芯片焊接,收發(fā)器是否損壞或者斷路,以及布線是否存在短路故障。
或許你會說,瞎扯!你前面才說RS-485不能同時收發(fā),這里又說能同時收發(fā),豈不是自相矛盾嗎?不矛盾,前面所說的不能同時收發(fā),是指發(fā)的同時不能收來自其他設(shè)備的發(fā)送報文,這里收的是自身發(fā)出的報文。
所以半雙工的本質(zhì),是通訊介質(zhì)不存在雙向通道,在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的時候,介質(zhì)被占用,即便想發(fā)送也是無法正確的將信號發(fā)送到介質(zhì)上的,如果強行發(fā)送,數(shù)據(jù)將會錯亂,甚至收發(fā)器芯片有可能損壞。
: Receiver Output Enable,接收器使能,
DE:Driver Output Enable,驅(qū)動輸出使能
圖中的DIR腳就是控制當前RS-485是處于“收”還是處于“發(fā)”模式。
前面說到共模電壓指標以及差模傳輸方式,這里來實際抓抓波形看看:
示波器的CH2接485輸出A端,CH3接485輸出A端,紅色的為示波器的MATH功能:CH2-CH3。大部分示波器都具有數(shù)學運算功能。
如果想看差分信號,就可以利用雙通道示波器加MATH減功能觀測?;蛟S有的示波器沒有MATH功能,那么這里還可以使用一個技巧:
將B通道,或者說差分信號的負端反相,然后將B通道上移至空閑電平重合,這樣是不是也就比較直觀的可以看出A-B了?
通過這個圖,能發(fā)現(xiàn)哪些有價值的信號特征呢?
信號A在空閑時候為高電平;信號B在空閑時為低電平。所以你會看到有設(shè)備上會標識485_A+,485_B-。
每個通道的共模電壓值都在標準要求的-7~12V之內(nèi),信號A為4V,信號B為5V:
這里抓的數(shù)據(jù)是一個MODBUS-RTU主端發(fā)送給從設(shè)備的報文,其內(nèi)容前面兩個字節(jié)是0x01 0x03,UART模式為1個起始位,8個數(shù)據(jù)位,1個停止位,無校驗位,低位在前,此例中 UART的通訊格式為
先根據(jù)UART通訊模式,來計算一下幾個參數(shù),每bit占用時間,每字節(jié)占用時間:
對于解析這種異步串行時序波形而言,最重要就是根據(jù)通信格式計算位時間,字節(jié)時間,進而可以直接解析波形數(shù)據(jù)。從這一點思考,假設(shè)要利用FPGA來實現(xiàn)一個UART協(xié)議邏輯分析儀,這就是最為核心的指標,通過檢測到起始位邊沿,進而通過時間軸將數(shù)據(jù)解析出來。這里我來充當一個肉眼UART邏輯分析儀吧:
8bit數(shù)據(jù)的時間寬度剛好是832us,由于格式是低位在前,所以要反過來看,與實際發(fā)送的數(shù)據(jù)0x01 0x03是吻合的。
這里在調(diào)試底層的時候遇到問題,就可以通過這種方式可以檢查軟件是否正確的驅(qū)動了硬件,譬如在調(diào)試I2C/SPI等等其他底層接口的時候,都可以類似的去檢查硬件波形,[敏感詞]不一樣的是,I2C/SPI屬于同步通信,所謂同步通信,是指其通信底層有同步時鐘信號,I2C的SCL,SPI的SCK都屬于同步時鐘。
驅(qū)動能力
電氣參數(shù)里總結(jié)說RS-485[敏感詞]電氣驅(qū)動能力,在多點網(wǎng)絡(luò)拓撲 結(jié)構(gòu)下,可[敏感詞]驅(qū)動32個站點。那么怎么去解讀這一指標呢?
首先來考察一個站點收發(fā)電路特性,收發(fā)器的接收電路其標準等效輸入阻抗為12k?,比如MAX 485數(shù)據(jù)手冊為例:
至于為什么是32個呢?主要是由于前面200mV最小驅(qū)動能力的規(guī)定。
也可以這樣理解一下,每一個接收電路輸入阻抗并非理想的高阻,而是12k?,那么比如其中一個站點發(fā)送,就相當于有32個站點的輸入阻抗并聯(lián),為什么是32個呢?別忘了發(fā)送站點自身也有接收電路,所以在不考慮端接電阻以及線路阻抗的情況下,對于發(fā)送電路接了一個等效負載:
,而發(fā)送電路驅(qū)動能力肯定是有限的,這樣就好理解了。
下面這個圖就是所謂的多點網(wǎng)絡(luò)拓撲 , 所有的站點都是沿著雙絞線的排布并接在總線上的。
所以,你有可能會在一些地方看到所謂的一個單位RS-485負載的說法,這里所謂的單位負載就是指12k?標準輸入阻抗 , 這個12k?就是EIA-485標準定義的。從而看到比如
單位負載之類的說法,就是源于此處。
數(shù)據(jù)監(jiān)控
比如一個基于RS-485的Modbus-RTU多點網(wǎng)絡(luò)中,在做協(xié)議編程或者實際多站點總線調(diào)試的時候,有可能需要監(jiān)控總線上所有的報文。甚至還有可能就像實現(xiàn)一個總線報文的的記錄器,將總線上所有的報文都記錄下來。應(yīng)該怎么實現(xiàn)呢?
買一根USB轉(zhuǎn)RS-485的轉(zhuǎn)換線或者自己做一個也可以。將A/B線并接在總線上,USB [敏感詞]電腦。使用串口監(jiān)控終端或者自己寫一個串口接收小軟件,就可以監(jiān)控所有總線上的報文了。
應(yīng)用設(shè)計
作為應(yīng)用設(shè)計而言,需要考慮這些維度:
端接設(shè)計
首先為什么要端接?這是由于RS-485采用雙絞線傳輸,標準規(guī)定的雙絞線的差分特征阻抗在100Ω至150Ω之間。RS-485標準制定者選擇120Ω作為標稱特征阻抗。
假定信號自左邊站點發(fā)出,如果沒有端接,信號在線路上傳輸其阻抗是連續(xù)的,但是到達右側(cè)的時候則,等效阻抗變成了接收電路的輸入阻抗,比如是12kΩ,阻抗不連續(xù)了,阻抗突變 !信號的一部分能量就會按照原路徑返回,如返回回去的信號由于容抗及感抗,就會產(chǎn)生相差。反射回去的信號與原信號疊加在一起。這樣就會造成通信發(fā)生錯誤,嚴重的時候,通信就無法正確進行。
要想更深入的了解背后的原理,可以去學習一下傳輸線理論 。
或許做過Profibus DP(物理層也是采用的RS-485)的朋友會說,你看profibus DP為什么推薦的終端匹配電路是下面這樣的呢?
其實是因為Profibus DP采用的通信介質(zhì)其標稱特征阻抗不一樣。所以實際工程應(yīng)用的時候則會有小的差異。
在噪聲比較嚴重的場合,建議使用右邊的端接方案,利用兩個60Ω電阻以及220pF電容形成低通濾波器,將增加線路的抗噪聲能力。
在實際工程布線的時候,如果遇到噪聲比較嚴重的時候,一方面可以利用示波器查看總線信號質(zhì)量,在將端接方式做一些小的調(diào)整。
接口設(shè)計
RS-485收發(fā)器芯片很多芯片公司都提供,比如TI,Microchip 等廠家都有,選擇接口芯片的時候需要考慮,芯片的供電電壓輸入邏輯是否與使用的單片機/DSP的電平兼容,另外就是前面提到的其接收電路的阻抗是否是符合RS-485標準輸入阻抗的。如果不是的,那么在考慮網(wǎng)絡(luò)部署的時候,所能帶的負載數(shù)量就有可能需要做調(diào)整。另外注意一下,有的新設(shè)計RS-485收發(fā)器具備fail-safe功能。
另外,前面說到標準收發(fā)器可以驅(qū)動32個標準收發(fā)器負載設(shè)備,也即是(12kΩ)標準單位輸入阻抗。
在做具體接口電路設(shè)計的時候還需要考慮EMC要求,在一些設(shè)備現(xiàn)場真的有很強的干擾,比如電網(wǎng)上有大的電機等感性設(shè)備運行,有時候就會干擾設(shè)備;另外也有可能有空間輻射干擾,這時候可以考慮采用帶屏蔽雙絞線,屏蔽層接大地,抗干擾方面我了解的不是很深入,僅整理一下。在這里看到一個防雷接口電路的設(shè)計方案,可以參考一下:
前面說通常標準RS-485可以容納32個標準接收阻抗收發(fā)設(shè)備。實際系統(tǒng)中就是想接入超過32個站點設(shè)備,怎么辦呢?可以設(shè)計一個中繼設(shè)備。想當于將兩個網(wǎng)段利用中繼給銜接起來,以解決驅(qū)動能力不足的問題。當然也有這樣的現(xiàn)成產(chǎn)品。
隔離設(shè)計
為什么要隔離,是為了降低接地噪聲。在很多現(xiàn)場可能有大電流開關(guān)設(shè)備,電機感性設(shè)備等,噪聲很有可能通過通訊的接地耦合進設(shè)備。尤其在工業(yè)設(shè)備中,一般都會設(shè)計成帶隔離的接口電路。要設(shè)計隔離接口,可以考慮選擇具有隔離功能的芯片,比如ADI的 iCoupler技術(shù)產(chǎn)品ADM2481,ADM2485。當然也可以采用光耦 +普通RS-485收發(fā)器的方式。[敏感詞]需要注意的是需要設(shè)計一個帶隔離的電源,給隔離兩側(cè)電路分別供電。
上面這個圖來自TI的《The RS-485 Design Guide》,這份資料感覺很不錯,本文很多地方也參考這份文檔整理的。如對這份資料有興趣,可以在后臺回復(fù)485自動領(lǐng)取。
總結(jié)一下
RS-485看似簡單,實際應(yīng)用設(shè)計的時候還是有很多需要去理解和注意的地方。做一個穩(wěn)健的產(chǎn)品,往往所差不是大方向,而是一些細微處容易導致產(chǎn)品不穩(wěn)定。
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