导读:
Maxim integrated 美信集成
是美国一家芯片制造商
在这一篇教程当中揭密了很多关于
RS-485 连接应该有的知识点
由于DMX512是基于RS-485再开发的协议
因此了解基本的RS-485规范非常重要
非常值得一读
*本文内容与图片版权属于原作者所有
*Maxim integrated 商标权利
属于Analog Devices所有
原文连结:
https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/7/763.html
教程763 RS-485电缆规格指南
摘要：
描述了正确的RS-485网络布线方法，并提出了双绞线布线和正确放置终端电阻的建议。
图示接收到的波形，以举例说明正确和不正确的电缆端接。
图标通过多个收发器到多分支电路的简单的单发送器/多接收器网络的配置。
本应用笔记旨在提供连接RS-485网络的基本准则。
RS-485规范（正式称为TIA / EIA-485-A）并未具体说明如何连接RS-485网络。
尽管如此，该规范确实提供了一些指导。
这些准则和合理的工程实践是本说明的基础。
但是，这里的建议绝不包含可以设计网络的所有不同方式。
RS-485在多个位置之间传输数字信息。数据速率可以达到，有时甚至超过10Mbps。
RS-485旨在在相当长的长度上传输此信息，
并且1000米是处于其能力范围之内。
RS-485可以成功使用的距离和数据速率
在很大程度上取决于系统的布线。
线 缆
RS-485设计为平衡系统。简而言之，这意味着除了信号接地以外，还有两条线用于传输信号。
图1.平衡的系统使用除地以外的两条线传输数据。
该系统称为平衡系统，因为理想情况下一根电线上的信号与第二根电线上的信号正好相反。
换句话说，如果一根导线正在传输高电平，则另一根导线将传输反相的高电平，反之亦然。参见图2。
*翻译编按: 阻抗平衡也是平衡,但是只有热端有信号
图2.平衡系统的两条在线的信号在理想情况下是相反的。
尽管RS-485可以使用多种类型的介质成功传输，但应与通常称为“双绞线”的布线一起使用。
什么是双绞线？为什么使用双绞线？
顾名思义，双绞线就是一对等长且绞合在一起的电线。
将RS-485兼容的发射机与双绞线一起使用，可以减少高速长距离网络设计人员遇到的两个主要问题：
辐射EMI 和 接收EMI
图3. 125kHz方波的波形及其FFT图。
辐射EMI 如图3
所示，只要在传输信息时使用快速边缘上下，就会出现高频分量。
RS-485要能够以较高的数据速率传输时，就必须具有这些快速边缘。这些快速边缘与长导线耦合后产生会辐射的高频分量EMI。
平衡系统通过与双绞线一起使用该得传输系统成为低效的辐射器来减少这种影响。
它的工作原理非常简单：当电线上的信号相等但相反时，来自每条电线的辐射信号也将趋于相等但相反。这具有相互抵消的效果，但这意味着:辐射EMI没有完全变干净。
但是，此结果是基于以下假设：导线的长度完全相同，并且位置完全相同。
由于不可能同时在同一位置放置两根导线，因此导线应尽可能靠近放置。
绞合电线，使两根电线之间保持有限的距离，
有助于抵消EMI!使EMI剩余得很少。
*翻译编按:这段话中意味着如果发送端是阻抗平衡,则对外的辐射没有抵消机会
接收到的EMI
接收到的EMI与辐射EMI基本上是相同的问题，
但是反过来。
RS-485系统中使用的布线也将用作接收有害信号的天线。
这些不需要的信号可能会使所需的信号失真，如果足够糟糕，则可能导致数据错误。
出于同样的原因，双绞线有助于防止辐射EMI，也有助于降低接收到的EMI的影响。
这是由于两根导线靠近并扭曲，因此一根导线上接收到的噪声与第二根导线上接收到的噪声趋于相同。
此类噪声称为“共模噪声”。
由于RS-485接收器被设计为寻找彼此相反的信号，
因此它们可以轻松抑制两根导线上所共有的噪声。
双绞线的特性阻抗
根据电缆的几何形状和绝缘中使用的材料，双绞线将具有与其相关的“特性阻抗”，通常由其制造商指定。
RS-485规范¹建议（但没有明确规定）该特性阻抗为120Ω。
这是透过计算了最坏情况下的负载和RS-485规范中给出的共模电压范围，必须推荐此阻抗。
规格可能不会出于灵活性的考虑而决定该阻抗。
如果由于某种原因不能使用120Ω电缆，建议重新计算最坏情况的负载（可以使用的发射器和接收器的数量）和最坏情况的共模电压范围，以确保设计中的系统将工作。
注1:《 TIA-EIA-485-A应用指南》 ¹专门介绍了这些计算。
每个发送器可以驱动多少对双绞线
现在已经了解了所需的电线类型，可以问一下，发射机可以驱动多少对双绞线？
简短的答案是：正好一个。尽管在某些情况下，发射机可以驱动多个双绞线，但这并不是本规范的目的。
终端电阻
由于所涉及的频率高和距离大，因此必须对传输线效应给予适当的注意。
但是，对传输线影响和适当的端接技术的详尽讨论远远超出了本应用笔记的范围。
考虑到这一点，将以与RS-485相关的最简单形式简要讨论终端。
终端电阻器只是放置在电缆的一个或多个末端的电阻器（图4）。理想情况下，终端电阻的值应与电缆的特性阻抗相同。
图4.终端电阻应与双绞线的特性阻抗值相同，并应放置在电缆的远程。
当终端电阻与接线的特征阻抗不同时，信号沿电缆传输时会发生反射。
此过程由公式（RT-ZO）/（ZO + RT）决定，其中ZO是电缆的阻抗，RT是终端电阻的值。
尽管由于电缆和电阻器的公差而不可避免地会产生一些反射，
但是足够大的失配会导致反射很大，从而导致数据错误。参见图5。
图5.使用顶部显示的电路，
左侧的波形是MAX3485用以驱动以54Ω端接的120Ω双绞线电缆，获得的。
右侧波形是在电缆正确端接到120Ω的情况下获得的。
了解有关反射的信息，重要的是尽可能使终端电阻和特性阻抗匹配。
终端电阻的位置也很重要。终端电阻应始终放置在电缆的远程。
此外，通常应在电缆的两个远程都放置终端电阻。
尽管对于大多数系统设计而言，正确地两端均至关重要，
但可以说在一种特殊情况下仅需要一个端接电阻。
在只有一个发射机且该单个发射机位于电缆远程的系统中，会发生这种情况。
*翻译编按:这就是DMX512 网络的典型
在这种情况下，无需将端接电阻器放置在发射器的电缆末端，因为信号总是要远离电缆的末端传播。
RS-485网络上的最大发送器和接收器数量
最简单的RS-485网络由一个发送器和一个接收器组成。
尽管RS-485在许多应用中很有用，但它允许在单条双绞线上使用多个接收器和发送器，从而提供了更大的灵活性。²
收发器和接收器的最大数量取决于每个设备在系统上的负载量。
在理想情况下，所有接收器和无效的发送器都将具有无限的阻抗，并且不会以任何方式使系统过载。
但是，在现实世界中并非如此。连接到网络的每个接收器和所有不活动的发送器将增加增量负载。
为了帮助RS-485网络的设计人员确定可以将多少设备添加到网络，
创建了一个称为“单元负载”的假设单元。
连接到RS-485网络的所有设备的特性应考虑单位负载的倍数或分数。
两个示例是:
MAX3485芯片，其指定单位负载为1，
MAX487芯片，其指定单位负载为1/4。
假设一根特性阻抗为120Ω或更高的正确端接的电缆，
一条双绞线所允许的最大单元负载数为32。
使用上面给出的示例，这意味着在一个单一的网络
最多可以支持的负载是:
MAX3485芯片支持 32个负载或
MAX487芯片支持128个负载
故障安全偏置电阻
当输入介于-200mV和+ 200mV之间时，接收器输出为“未定义”。
有四种常见故障情况会导致未定义的接收器输出，从而导致错误的数据：
系统中的所有发送器均处于关闭状态。
接收器未连接到电缆。
电缆开路。
电缆短路。
当出现这些情况之一时，由于使用故障安全偏置将接收器的输出保持在定义的状态。
故障安全偏置由同相在线的上拉电阻和反相在线的下拉电阻组成。
通过适当的偏置，当任何一种故障情况发生时，接收器将输出有效的高电平。
这些故障安全偏置电阻器应放置在传输线的接收器端。
(一种足够大的预设偏置电阻器从而保证系统能正常运作)
Maxim的MAX13080和MAX3535收发器系列不需要故障保护偏置电阻，
因为器件中集成了真正的故障保护功能。
在真正的故障保护中，接收器阈值范围为-50mV至-200mV，从而在完全符合RS-485标准的同时，无需使用故障保护偏置电阻。
这些器件确保接收器输入端的0V产生逻辑“高”输出。
此外，这种设计保证了在开路和短路情况下的已知接收器输出状态。
正确网络的示例
鉴于以上信息，我们准备设计一些RS-485网络。这里有一些例子。
一台发射机，一台接收机
最简单的网络是一台发射机和一台接收机
图6在此示例中，在电缆的发射器端显示了一个终端电阻。尽管这里没有必要，但设计两个终端电阻器可能是一个好习惯。这允许将发射机移到远程以外的位置，并在需要时允许将其他发射机添加到网络。
图6.一台发射器，一台接收器的RS-485网络。
一个发送器，多个接收器
图7显示了一个发送器，多个接收器网络。
在此，重要的是要保持双绞线到接收器的距离尽可能短。
图7.一个发射器，多个接收器的RS-485网络。
*这是很典型的DMX512 网络
请注意从双绞线分岔的接收器接线要尽可能的短
两个收发器
图8显示了两个收发器网络。
图8.两个收发器的RS-485网络。
多个收发器
图9显示了一个多收发器网络。
与图7中的一个发射器和多个接收器示例一样，
重要的是要保持双绞线到接收器的距离尽可能短。
图9.多收发器RS-485网络。
*翻译编按:这是手拉手系统当中很常见的情况
不当网络的示例
下图是系统配置不正确的示例。每个示例都显示了从设计不当的网络中获得的波形，并比较了从正确设计的系统中获得的波形。
在点A和点B（AB）处差分测量波形。
未接终端电阻的网络在此示例中，双绞线的末端未接终端电阻。当信号沿导线传播时，它在电缆末端遇到开路。
这构成了阻抗失配，从而产生反射。在开路的情况下（如下所示），所有能量都会反射回源，从而导致波形变得非常失真。
图10.对比（左）未端接的RS-485网络（顶部）及其合成波形与（右）从正确端接的网络获得的波形，。
错误的终端电阻位置
图11显示了端接终端电阻器，但它位于电缆远程之外的其他位置。
随着信号沿电缆传播，它会遇到两个阻抗不匹配的情况。第一次发生在终端电阻上。
即使电阻器与电缆的特性阻抗匹配，电阻器后面仍然有电缆。
多余的电缆会导致不匹配，从而引起反射。
第二个不匹配是在未端接电缆的末端，导致进一步反射。
图11.终端电阻器放置在错误的位置（上半图中部）其结果波形（左下）与（右下）正确端接的网络的RS-485网络波形。
多根电缆? ?
图12中的布局存在多个问题。
RS-485驱动器旨在仅驱动单个正确端接的双绞线。
在此，每个发送器并行驱动四个双绞线。
这意味着不能保证所需的最小逻辑电平。
除了繁重的负载外，在连接多根电缆时还会出现阻抗不匹配的情况。
阻抗失配又意味着反射，因此也意味着信号失真。
图12.不正确使用多个双绞线的RS-485网络。
长分岔线
在图13中，电缆正确端接，并且发射器仅驱动一对双绞线。但是，接收器的连接点（桩）过长。
长分岔线会导致明显的阻抗失配，从而引起反射。
所有分岔线都应保持尽可能短。
图13. （左下）是具有10英尺长分岔线（如上半图）其结果波形与（右下）短分岔线获得的波形的RS-485网络相比。
参考文献
1.通过在www.global.ihs.com上搜索该标准，可以找到TSB89（TIA / EIA-485-A的应用指南）。
2.有关更多信息，请参见TIA / EIA-485-A 用于平衡数字多点系统的发生器和接收器的电气特性，
可通过在www.global.ihs.com上搜索标准来找到该电气特性。
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