一、RS-485標(biāo)準(zhǔn)概述

RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應(yīng)相連。當(dāng)線路A高于線路B電平(VA-VB> +200mV)時(shí)，接收端輸出為邏輯高電平（RO=1）；當(dāng)線路A低于線路B電平(VA-VB<-200mV)時(shí)，接收端輸出為邏輯低電平(RO=0)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸入端邏輯電平為高（DI=1）時(shí)，線路A電平高于線路B電平；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸入端邏輯電平為低（DI=0）時(shí)，線路A電平低于線路B電平。見圖1。

圖1：總線差模電壓

二、使用RS485接口時(shí)應(yīng)注意的問題

1、UART電平

隨著MCU等平臺(tái)電平的降低，接口電平低壓化趨勢明顯。上海英聯(lián)電子的UM3483/UM3486采用CMOS接口電平，兼容2.8V、3.3V接口電平。同時(shí)，為了增加抗干擾能力，對輸入口的邏輯電平做了閾值滯環(huán)處理。

2、 EMI干擾

RS-485信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會(huì)發(fā)生反射，形成天線向外輻射。UM3483具有低擺率驅(qū)動(dòng)器，能夠減小EMI和由于不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配所引起的反射，并能夠在接收端提供良好的信號(hào)信噪比。

3、 失效保護(hù)

傳統(tǒng)的RS-485接收器門限為±200mV，當(dāng)總線上的差分電壓VA-VB介于±200mV之間時(shí)，接收器的輸出狀態(tài)不確定。UM3483/UM3486內(nèi)置真故障安全接收器輸入，將接收門限移到-200mV/-50mV，解決了總線短路、空閑等情況下的失效保護(hù)問題?？墒∪ネ獠康钠秒娮?，同時(shí)內(nèi)部的接收閾值做了滯環(huán)處理，增加了接收器的抗干擾能力。

4、單位負(fù)載

RS-485接收器額定的輸入阻抗為大于或等于12kΩ，該值為1個(gè)單位負(fù)載（UL）。如果一個(gè)RS-485接收器額定具有1/8個(gè)UL，則總線可連接8倍數(shù)量的這種接收器。UM3483/UM3486的輸入阻抗為96kΩ，總線可連接多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

5、ESD保護(hù)

由于RS-485的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常受到靜電和瞬態(tài)電壓等干擾。目前半導(dǎo)體常用的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2（空氣放電模式）、IEC61000-4-2（接觸放電模式）和人體放電模式，用于評價(jià)器件的防靜電能力。UM3483/UM3486芯片內(nèi)部集成了ESD保護(hù)電路，人體放電模式、空氣放電模式均達(dá)到±15kV，接觸放電模式達(dá)到±8kV。

6、電壓倒灌

如果RS485接口芯片電源掉電，但I(xiàn)/O口（A、B、/RE、DE、DI、RO）有輸入電壓時(shí)，一旦芯片沒有該項(xiàng)功能，會(huì)在VCC管腳上建立起不穩(wěn)定的電壓，從而導(dǎo)致芯片處于無法預(yù)期的工作狀態(tài)，吸收總線上的電流，向總線亂發(fā)數(shù)據(jù)，引起通信的異常和終端功能混亂。UM3483/UM3486具有防止電壓倒灌功能，在此種情況下，保證VCC管腳電壓為0，保證芯片處于關(guān)閉狀態(tài)。
[page]

三、低壓RS-485網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、共模干擾

RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)，一般收發(fā)器能夠承受的共模電壓范圍為-7V至+12V，一旦共模電壓超出此范圍，將會(huì)影響通信的可靠性，甚至損壞接口。由于每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有獨(dú)立的地回路，在遠(yuǎn)距離通信條件下，系統(tǒng)間的地電位差VGPD將會(huì)很大。發(fā)送器的輸出共模電壓為VOC,那么接收器輸入端的共模電壓VCM=VOC+VGPD，RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOC小于等于3V，但VGPD的幅度可達(dá)十幾伏甚至數(shù)十伏，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，導(dǎo)致接收器的共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流。解決此類問題的方法是：

a、通過帶隔離的DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，如圖2所示；

圖2：低壓3.3V隔離電源方案圖

b、通過光耦將信號(hào)隔離，減小共模電壓的影響。

采用該方法時(shí)，總線收發(fā)器的信號(hào)線和電源線與本地信號(hào)的電源是相互隔離的。

2、光耦隔離電路

光耦往往是限制通信數(shù)據(jù)波特率的主要因素，對于低速傳輸，可采用PS250、TIL117等。在高速電路設(shè)計(jì)中，可以考慮采用6N137、6N136等高速光耦，優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計(jì)。光耦隔離示意圖如圖3所示。圖3中，電阻R3、R4如果選取得較大，將會(huì)使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度變慢；如果選取得過小，退出飽和將會(huì)變慢。不同型號(hào)的光耦及驅(qū)動(dòng)電路，使得這兩個(gè)電阻的數(shù)值略有差異，阻值的選取通常由實(shí)驗(yàn)來確定。

圖3：光耦隔離示意圖

3、端接電阻

RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會(huì)發(fā)生反射。數(shù)據(jù)的傳輸速率較低或者通訊距離較近時(shí)，反射持續(xù)時(shí)間較短，對接收的邏輯電平?jīng)]有影響，可以不用終端匹配。相反，如果數(shù)據(jù)的傳輸速率高或者通訊距離較遠(yuǎn)時(shí)，反射持續(xù)時(shí)間較長，則需要對總線進(jìn)行終端匹配。

那么究竟在怎樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時(shí)需要進(jìn)行總線匹配呢？一條經(jīng)驗(yàn)性的原則是：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)無需進(jìn)行終端匹配。

終端匹配有以下兩種方案：

a、電阻匹配，在RS-485總線電纜的始端和末端都并接終端電阻。端接電阻取120Ω，與雙絞線電纜特性阻抗匹配。該方案比較簡單，目前最為普遍。如圖4所示。該方案的弊端在于，匹配電阻對功率消耗較大，不太適合對功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)。

圖4：端接電阻示意圖

b、RC匹配，在總線直接串聯(lián)一個(gè)電阻和電容。容值的選取與信號(hào)的傳輸速率有關(guān)，電路連接方式如圖5。由于電容的存在，減少了大部分的功率損耗，同時(shí)也影響了信號(hào)的傳輸速率。因此，容值的選取就顯得比較關(guān)鍵。

圖5：RC匹配示意圖

[page]

4、故障保護(hù)

RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)所有的收發(fā)器都工作在接收模式時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)。此時(shí)總線上的差分電壓VA-VB=0，接收器輸出處于未定義狀態(tài)，從而導(dǎo)致UART接收錯(cuò)誤信息。除此之外，總線的斷路、短路故障，都會(huì)造成UART上接收到錯(cuò)誤信息。為了避免出現(xiàn)以上錯(cuò)誤，在總線上放置上、下拉電阻。圖6為總線偏置電路。電阻R1、R2的選擇可根據(jù)下列計(jì)算方法得出，R1=R2=R，RT=120Ω（由于總線上終端和起始端各有1個(gè)120Ω終端電阻，所以RT0取值60Ω），VA-VB=Vcc*RT/（2R+RT0），應(yīng)滿足VA-VB>200mV，低壓傳輸時(shí)，取Vcc=3.3V，那么R=465Ω。

圖6：總線偏置電路

5、瞬態(tài)保護(hù)

實(shí)際應(yīng)用中，RS-485總線上經(jīng)常會(huì)遇到雷擊、靜電、電源波動(dòng)等情況，由于傳輸線對高頻信號(hào)相當(dāng)于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線等同于開路。瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)可能會(huì)引起通信接口器件的損壞。通常情況下，會(huì)采取旁路保護(hù)方法，如圖7所示。

圖7：偏置保護(hù)電路

由于旁路保護(hù)方法是將瞬變能量釋放到地回路，因此必須要有良好的接地。對于高速信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)考慮保護(hù)器件容值和線路間容值對信號(hào)延時(shí)的影響。

相關(guān)閱讀：
 高工解讀：電表中RS485總線防雷保護(hù)
http://m.bswap.cn/cp-art/80017325
 教你一招：保護(hù)RS485通訊網(wǎng)絡(luò)順便解決EMC問題
http://m.bswap.cn/cp-art/80021193