电平标准RS485接口学习笔记

电平标准RS485接口学习

一、RS485概述

1）RS485:其主要特征：平衡接口、多点multipoint应用（多达32个单位负载）、半双工/双工通信、-7V到+12V总线共模范围、最大数据速率10Mbps@10m，最长线缆长度1000米以上@100Kbps。

2）RS485可认为仅定义“物理层”标准，其仅定义了相关的电气特性，因此也可被其他协议标准借用为其物理层接口，同时RS485是为了解决RS422多点拓扑问题而生，其电气特性兼容RS422接口，其收发器大部分可用于RS422的接口。

3）RS485相关规范标准： TIA/EIA-485规范，全称平衡数字多点系统驱动器接收器电气特性，英文Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems。

4）使用场景：支持多个驱动器多个接收器，具有高鲁棒性和可靠性，在全球嘈杂工业环境中接口应用广泛。

二、拓扑结构

RS485是多点（multipoint）网络拓扑结构，与M-LVDS拓扑结构类似，这种方式要求在布线过程中使用类似于菊花链的方式链接相关节点（即围绕一个主干线，所有的驱动器、接收器通过很短存根接入），在主干线最远两端放置端接电阻，如下图所示。

1）多点（multipoint）半双工拓扑特征如下图所示：

N*RS485驱动器、

N*RS485接收器、

1*RS485差分传输介质（半双工总线中使用1对2根传输介质）、

2*端接匹配电阻（放置在一对传输线两端）、

需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；

2）多点（multipoint）全双工拓扑特征如下图所示：

N*RS485驱动器、

N*RS485接收器、

2*RS485差分传输介质（全双工总线中使用2对四根传输线）、

2*2端接匹配电阻（2@1对传输介质两端，2对传输介质）、

全双工双向通信@2对传输介质；

全双工模式允许节点在一个对上发送数据，同时在另一个对上接收数据，需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；

三、工作原理

RS485的工作原理与LVDS基本类似，如下图所示，但LVDS属于电流驱动型（由恒流源驱动），而RS485属于电压驱动型（由电压源驱动），这属于比较大的区别。

如上图所示，RS485发送端包含一个H桥电路，当输入D为高电平时，打开Q2和Q3，则A端口为高电平，B端口为低电平，两者之间形成A到B的电流，A到B两端的电压VOD是VCC电压分压的结果，RD与Q2、Q3的导通阻抗以及通路上的二极管进行分压，反之亦然。RS485输入端可看作一个比较器电路。

四、电气特性

1）输出特性（对发送端来说）

对RS485而言，同相输出信号VA,反相输出信号VB,这里面还有两个概念，一个是差分输出电压VOD，一个是共模输出电压VOS.

VOD=“VA”-“VB”，可为正，也可为负，通常以|VOD|表示,

1.5V≤|VOD|≤5V，|VA|≤6V，|VB|≤6V；|VOS|≤3V。

一般来说，符合 RS-485 标准的驱动器可在 54Ω 负载上提供VOD不小于 1.5V 的差分输出。

2）输入特性（对接收端来说）

对于接收端来说，既有与输出类似的输入电压VA和VB，也有共模电压VCM和差分电压VID概念，接收端针对这两个特性分别有要求，其中：

RS485是正值逻辑，差分电压会有个判决门限，正VID > +200 mV对应于逻辑1，负VID < −200 mV则对应于逻辑0。一般200mV<|VID|<10V。

RS485共模输入电压范围VCM很宽，-7V<|VCM|<12V，因此其抗干扰能力很强，需要特殊说明的是VCM=VOS+GPD，其中VOS是输出端的共模电压，GPD全称ground potential difference，是指接收端和驱动端的地电势之差，一般RS485要求的GPD在±7V之间，因此虽然RS485的发送端和接收端虽然可忍受较大范围的GPD，但还需要进行共地处理的，关于共地的接法没有一个很统一的认识：对于RS485接口，因其GPD允许范围较大，有种做法是驱动端和发送端分的信号数字地DGND分别与各自产品端的KGND通过电阻等单点连接，而系统内两个产品端的KGND是可靠连通的；也可以将驱动端和接收端的接口芯片DGND，通过单独走PCB走线引到对外接口上，从而实现两端DGND连通，单独引出一个DGND信号有可能会带来成本增加，也可能在DGND回路产生较大电流，从而增加共模噪声的影响。

需要特别说明的是，如果差分电压在±200mV两个阈值之间，则RS485接收器输出为未定义态，可能为高电平或低电平，比如说RS485开路(线缆中断或者收发器从总线断开)、短路（差分对的导线因绝缘层失效而接触在一起）、总线空闲（所有总线驱动器均未处于活动状态）时。这种情况被称为fail-safe，通常fail-safe有两种方式，一种是新类型器件内置了fail-safe保护，对判决门限进行了偏置；另一种是外置fail-safe保护，即通过上下拉电阻分压方式，确保在差分信号线上产生足够的总线差分电压，从而使得接收器可产生一个确定的输出状态，如下图所示。

3）传输线

传输距离：RS485传输距离较LVDS更长，可达1000m以上，其传输速率能够达到10Mbps这样的速率，当然如下图所示，其传输速率与传输距离是成反比的，当传输线长度1000m时，速率最大100Kbps左右，准确的距离还受传输介质、阻抗匹配等影响，需要通过仿真去评估。

传输介质：传输线可以为导线，也可以为PCB走线，其传输线缆推荐用双绞线，传输特性阻抗120欧姆，不一定必须要屏蔽双绞线。

端接电阻：端接电阻通常与传输线缆特性阻抗匹配，因此端接电阻选择120Ω，放置在传输线最远两端各一个。在噪声环境下的应用时可以将120Ω端接电阻替换为两个60Ω电阻串联，中间接小电容到地，组成一个低通滤波器，用于提供额外的滤除共模噪声能力，电阻电容需要选择精度高的，以免滤波频率发生较大变化。

五、应用说明

1）应用场景：多点半双工/全双工传输，RS485速率最高可＞10Mbps，传输距离最长可达到1000m左右，但需要关注速率、传输介质与传输距离的关系等；

2）原理图设计时，需要关注每对传输介质两端均并联端接120欧电阻，同时关注RS485相关设备的共地情况，必须确保各设备的共地电势差小于7V；

3）PCB设计时，主要关注差分信号的等长、阻抗匹配120Ω，多点的驱动收发器按照菊花链方式进行链接，端接电阻两端放置，其他收发器尽量距离主传输线较近。

六、RS485与M-LVDS对比说明

类别	参数	RS485	M-LVDS
拓扑	拓扑	多点（最多32个负载）	多点（最多32个）
驱动器数量	多个	多个
接收器数量	多个	多个
端接电阻	2个120Ω@两端	2个100Ω@两端
通信方向	半双工@1对传输线全双工@2对传输线	半双工@1对传输线全双工@2对传输线
发送	驱动方式	电压驱动型	电流驱动型
差分电压VOD	≥1.5V	565mV480mV~650mV
接收	判决门限	≥200mV—H≤-200mV—L	≥50mV—H≤-50mV—L@type1≥150mV—H≤50mV—L@type2
共地漂移	±7V	±1V
传输	速率	最大10Mbps	最大400Mbps
距离	最大1000m	最大20m
阻抗	120Ω	100Ω
功耗	高	低

注：相关信息来自TI、ADI等网站。