RS-485产业接口设计应用指南

作为上世纪80年代早期批准的一个平衡传输标准，RS-485似乎已成为产业界永不过期的接口标准。关于它的文献有很多，但对于很少接触接口设计的系统工程师而言，如此海量的文献就有些让人吃不消了。

本文旨在讨论RS-485标准的主要内容，为初接触它的设计师提供进门指南。研究文末参考的一些附加应用笔记可进一步帮助设计师在最短的时间内完成一套可靠的数传设计。

RS-485标准的用途

RS-485只定义了用于平衡多点传输线的驱动器和接收器的电特性，因此很多更高层标准都将其作为物理层引用。

网络拓扑

总线节点以菊花链或总线拓扑方式联网。(见图1)也就是说，每个节点都通过很短的线头连接到主线缆。该接口总线通常设计为用于半双工传输，也就是说它只用一对信号线，驱动数据和接收数据只能在不同时刻出现在信号线上。

图1：RS-485总线结构(左)与半双工总线结构(右)。

这就需要通过方向控制信号(例如驱动器/接收器使能信号)控制节点操纵的协议，以确保任何时刻总线上都只能有一个驱动器在活动，而必须避免多个驱动器同时访问总线导致总线竞争。

信号电平

RS-485驱动器必须在54的负载上提供最小1.5V的差分输出，而RS-485接收器则必须能检测到最小为200mv的差分输进(见图2)。这两个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此。而稳健性正是RS-485适用于噪声环境的长间隔联网的主要原因。

图2：RS-485规定的最小总线信号电平。

线缆类型

在双绞线上传送差分信号为RS-485应用带来了很大好处。这是由于外部噪声源产生的噪声总是等量耦合进两根信号线中，属于共模噪声，而这能在差分接收器的输进处就被抑制掉。

产业用RS-485线缆是特性阻抗为120和22AWG的塑封非屏蔽双绞线。图3所示为一对用于半双工网络的UTP线缆的横截面。

图3：RS-485通讯线缆示例。

为了保持网络的电特性，除了网络线缆的连接之外，印制电路板的布线和RS-485设备连接器上的管脚分配需保持两根信号线之间的间隔均等且足够靠近。

总线端接与线头长度

数据传输线应进行端接，而且线头应尽可能短，以避免传输线上发生信号反射。良好的端接要求终端电阻RT与传输线线缆的特征阻抗Z0匹配。RS-485建议采用Z0为120的线缆，因此通常每根线缆末端都采用120的电阻进行端接。

图4：利用共模噪声滤波器对RS-485进行端接。

噪声环境下的应用往往用两个RC低通滤波器替换这些120的电阻，以增强对共模噪声的滤波(见图4)。值得留意的是，两个滤波器的电阻值应相等(最好采用精密电阻)以确保两个滤波用具有相同的滚降频率。电阻容差过大会导致滤波器转角频率出现偏差，而导致共模噪声转换为差模噪声，使接收器的抗噪性能降低。

线头的电长度(即收发器与线缆干线之间的间隔)应小于驱动器输进信号上升时间的1/10。表1列出了图4中不同驱动信号上升时间对应的最大线缆线头长度。

表1：不同信号上升时间下的线头长度和未端接线缆长度。