如何为工业系统扩展 RS-485 网络的范围

作者：模拟 IC 设计工程师 MICHAEL JACKSON 和Maxim Integrated应用、工业和医疗保健业务部总监 SEAN LONG 

随着现代工业环境变得越来越大和越来越复杂，生产工程师在自动化工业过程控制系统的设计和布局方面面临挑战，特别是在通信网络可靠性、范围和数据速率方面。然而，在恶劣、嘈杂的环境中经受住时间考验的一种网络协议是 RS-485，而信号调理和处理方面的最新进展将确保它继续这样做。

本文将简要回顾最初的 RS-485 规范并介绍其相对优势和劣势。然后，它将展示如何扩展其功能以满足现代工业网络协议的需求。

RS-485 的演进20 多年来，PROFIBUS 等常见网络协议使用 RS-485 标准在恶劣、电噪声的工业环境中跨物理介质传输电信号（图 1）。

 

然而，随着这些网络协议的发展和演变，最初的 RS-485 规范正被推向其极限（甚至超越）。

最初的 ANSI/TIA/EIA-485-A-1998 标准，现在通常称为 RS-485，于 1998 年 3 月获得批准。RS-485 是一种双向、半双工标准，具有多个“总线”驱动器和接收器，其中每个司机都可以放弃公共汽车。RS-485 是一种纯电气物理层 (PHY) 标准，它依赖于差分信号来实现抗噪性，通常在平衡传输电缆上，例如非屏蔽双绞线 (UTP)。

在 –7V 至 12V 总线共模范围内，接收器输入灵敏度为 ±200mV，这意味着要识别“标记”（逻辑 1）或“空格”（逻辑 0），接收器必须看到信号电平高于 200 mV 或低于 –200 mV。最大接收器输入阻抗为 12 kΩ，驱动器输出电压最小为 ±1.5 V，最大为 ±5 V。图 2 列出了原始 RS-485 标准中的关键规范。

图 2：原始 RS-485 规范的最大数据速率为 10 Mbits/s，可在 10 m 至 15 m 的短距离内实现。现代实现在几米范围内可实现高达 40 Mbits/s 的速度。

RS-485 的优缺点RS-485 因其差分特性而常用于工业环境中设备之间的信号传输，可确保在工厂环境中典型的恶劣和嘈杂的电场/磁场中具有高抗噪性。然而，虽然最初的标准被定义为以高达 10 Mbits/s 的速度和高达 1.2 公里的距离运行，但这些无法同时实现。在相对较短的距离（10 m 至 15 m）上可实现最大数据速率。估计数据速率和距离之间折衷的经验法则是，数据速率（以比特/秒为单位）与距离（以米为单位）的乘积不应超过 1 × 10 8。

工业网络协议要求以不断提高的数据速率运行，这意味着现代 RS-485 收发器的设计人员已将原始规范远远超出其原始限制。现代收发器以原始规格的倍数工作的情况并不少见——例如，30 Mbits/s 到 40 Mbits/s。这些数据速率只能在相对较短的距离（大约几米）内实现。然而，现代过程控制系统的规模和复杂性要求信号在中等距离（最长 100 m）上以更高的速度传播。为此，需要重新检查 RS-485 的实施。

更长距离的更高速度工程师指出，符号间干扰主要限制了 RS-485 通信的最大距离，而预加重可以非常有效地减少这种干扰。预加重应用于传输信号的源头，在电信道之前，并提高目的地的信号质量。该技术很常见。例如，在 IC 布局程序中，预加重调整线宽以补偿拐角处发生的蚀刻速率变化。在磁盘驱动器控制器中，预加重可补偿磁盘中心附近较差的频率响应。另一种类型的预加重通过在录制时增强中高频音频频带中的低电平信号，然后在回放过程中反转此过程来减少磁带嘶嘶声。 

基于这一发现，工程师开发了包含内部预加重的 RS-485 收发器，以进一步扩展现代设备的功能，使其超越其已经先进的性能，并远远超出原始规范。例如，现代设备显示能够在 10 m 上传输超过 100 Mbits/s（图 3）。

图 3：现代 RS-485 收发器使用 Cat5e UTP 电缆可在 10 m 范围内实现 100 Mbits/s 且具有良好的眼图张开度。（2.5 ns/div 的刻度）

如所示眼图（图 3）中约 ±2 V 的差分电压电平（测量值远高于标准中规定的最小 ±200 mV）所示，该器件在 10米的 Cat5e 电缆（根据所选电缆的选择，可能甚至更长的距离）。

通过较长的工厂网络电缆运行也可以获得相对较高的数据传输速率：在 100 m 电缆上高达 50 Mbits/s。尽管不那么明显，但在此速度下（约 ±0.7 V）的眼图张开仍然大于原始 RS-485 标准定义的最小电压电平（图 4）。

图 4：在长达 100 m 的较长工厂电缆运行中，RS-485 可以达到 50 Mbits/s，再次使用 Cat5e，尽管眼图张开可能不那么明显。（比例为 5ns/div）

使用预加重，收发器的性能——在这种情况下是 Maxim Integrated 的 MAX22500E——可以在这些更长的距离上进一步提高（图 5）。

图 5： 使用预加重，在 100 m 以 50 Mbits/s 运行时，眼图张开显着改善，从 ±0.7 V 变为 ±1 V。（以 5ns/div 缩放）

速度和距离与图 4相同，但启用预加重功能会增加电压电平，因此图中的眼图张开明显更明显。

这种实现长距离数据传输预加重的能力为设备设计人员提供了额外的灵活性，可以使用 RS-485 接口实现所需的速度与距离性能水平。

MAX22500E 等现代 RS-485 器件的其他特性包括 –15-V 至 15-V 共模范围和集成 ESD 保护至 ±15-kV ESD 保护（人体模型）、±7-kV IEC 61000-4-2 气隙 ESD 保护、±6kV IEC 61000-4-2 接触放电 ESD 保护以及驱动器输出的短路保护。

结论尽管 RS-485 稳健可靠，但在速度和可达到的距离之间需要进行重大权衡。现代收发器使用预加重和其他技术在全双工或半双工模式下，在 10 m 电缆上提供高达 100 Mbits/s 的可靠数据传输，在 100 m 上提供高达 50 Mbits/s 的可靠数据传输。这意味着工业自动化和控制设备的设计人员可以自信地计划在可预见的未来继续使用 RS-485 作为复杂工业环境中的通信接口。

审核编辑 黄昊宇