電平標準RS485接口學習

一、RS485概述

1）RS485:其主要特征：平衡接口、多點multipoint應用（多達32個單位負載）、半雙工/雙工通信、-7V到+12V總線共模范圍、最大數據速率10Mbps@10m，最長線纜長度1000米以上@100Kbps。

2）RS485可認為僅定義“物理層”標準，其僅定義了相關的電氣特性，因此也可被其他協議標準借用為其物理層接口，同時RS485是為了解決RS422多點拓撲問題而生，其電氣特性兼容RS422接口，其收發器大部分可用于RS422的接口。

3）RS485相關規范標準： TIA/EIA-485規范，全稱平衡數字多點系統驅動器接收器電氣特性，英文Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems。

4）使用場景：支持多個驅動器多個接收器，具有高魯棒性和可靠性，在全球嘈雜工業環境中接口應用廣泛。

二、拓撲結構

RS485是多點（multipoint）網絡拓撲結構，與M-LVDS拓撲結構類似，這種方式要求在布線過程中使用類似于菊花鏈的方式鏈接相關節點（即圍繞一個主干線，所有的驅動器、接收器通過很短存根接入），在主干線最遠兩端放置端接電阻，如下圖所示。

1）多點（multipoint）半雙工拓撲特征如下圖所示：

N*RS485驅動器、

N*RS485接收器、

1*RS485差分傳輸介質（半雙工總線中使用1對2根傳輸介質）、

2*端接匹配電阻（放置在一對傳輸線兩端）、

需要通過方向控制信號（例如驅動器/接收器使能信號）對節點進行控制，確保在任何時候總線上只有一個驅動器處于工作狀態；

2）多點（multipoint）全雙工拓撲特征如下圖所示：

N*RS485驅動器、

N*RS485接收器、

2*RS485差分傳輸介質（全雙工總線中使用2對四根傳輸線）、

2*2端接匹配電阻（2@1對傳輸介質兩端，2對傳輸介質）、

全雙工雙向通信@2對傳輸介質；

全雙工模式允許節點在一個對上發送數據，同時在另一個對上接收數據，需要通過方向控制信號（例如驅動器/接收器使能信號）對節點進行控制，確保在任何時候總線上只有一個驅動器處于工作狀態；

三、工作原理

RS485的工作原理與LVDS基本類似，如下圖所示，但LVDS屬于電流驅動型（由恒流源驅動），而RS485屬于電壓驅動型（由電壓源驅動），這屬于比較大的區別。

如上圖所示，RS485發送端包含一個H橋電路，當輸入D為高電平時，打開Q2和Q3，則A端口為高電平，B端口為低電平，兩者之間形成A到B的電流，A到B兩端的電壓VOD是VCC電壓分壓的結果，RD與Q2、Q3的導通阻抗以及通路上的二極管進行分壓，反之亦然。RS485輸入端可看作一個比較器電路。

四、電氣特性

1）輸出特性（對發送端來說）

對RS485而言，同相輸出信號VA,反相輸出信號VB,這里面還有兩個概念，一個是差分輸出電壓VOD，一個是共模輸出電壓VOS.

VOD=“VA”-“VB”，可為正，也可為負，通常以|VOD|表示,

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

一般來說，符合 RS-485 標準的驅動器可在 54Ω 負載上提供VOD不小于 1.5V 的差分輸出。

2）輸入特性（對接收端來說）

對于接收端來說，既有與輸出類似的輸入電壓VA和VB，也有共模電壓VCM和差分電壓VID概念，接收端針對這兩個特性分別有要求，其中：

RS485是正值邏輯，差分電壓會有個判決門限，正VID > +200 mV對應于邏輯1，負VID < ?200 mV則對應于邏輯0。一般200mV<|VID|<10V。

RS485共模輸入電壓范圍VCM很寬，-7V<|VCM|<12V，因此其抗干擾能力很強，需要特殊說明的是VCM=VOS+GPD，其中VOS是輸出端的共模電壓，GPD全稱ground potential difference，是指接收端和驅動端的地電勢之差，一般RS485要求的GPD在±7V之間，因此雖然RS485的發送端和接收端雖然可忍受較大范圍的GPD，但還需要進行共地處理的，關于共地的接法沒有一個很統一的認識：對于RS485接口，因其GPD允許范圍較大，有種做法是驅動端和發送端分的信號數字地DGND分別與各自產品端的KGND通過電阻等單點連接，而系統內兩個產品端的KGND是可靠連通的；也可以將驅動端和接收端的接口芯片DGND，通過單獨走PCB走線引到對外接口上，從而實現兩端DGND連通，單獨引出一個DGND信號有可能會帶來成本增加，也可能在DGND回路產生較大電流，從而增加共模噪聲的影響。

需要特別說明的是，如果差分電壓在±200mV兩個閾值之間，則RS485接收器輸出為未定義態，可能為高電平或低電平，比如說RS485開路(線纜中斷或者收發器從總線斷開)、短路（差分對的導線因絕緣層失效而接觸在一起）、總線空閑（所有總線驅動器均未處于活動狀態）時。這種情況被稱為fail-safe，通常fail-safe有兩種方式，一種是新類型器件內置了fail-safe保護，對判決門限進行了偏置；另一種是外置fail-safe保護，即通過上下拉電阻分壓方式，確保在差分信號線上產生足夠的總線差分電壓，從而使得接收器可產生一個確定的輸出狀態，如下圖所示。

3）傳輸線

傳輸距離：RS485傳輸距離較LVDS更長，可達1000m以上，其傳輸速率能夠達到10Mbps這樣的速率，當然如下圖所示，其傳輸速率與傳輸距離是成反比的，當傳輸線長度1000m時，速率最大100Kbps左右，準確的距離還受傳輸介質、阻抗匹配等影響，需要通過仿真去評估。

傳輸介質：傳輸線可以為導線，也可以為PCB走線，其傳輸線纜推薦用雙絞線，傳輸特性阻抗120歐姆，不一定必須要屏蔽雙絞線。

端接電阻：端接電阻通常與傳輸線纜特性阻抗匹配，因此端接電阻選擇120Ω，放置在傳輸線最遠兩端各一個。在噪聲環境下的應用時可以將120Ω端接電阻替換為兩個60Ω電阻串聯，中間接小電容到地，組成一個低通濾波器，用于提供額外的濾除共模噪聲能力，電阻電容需要選擇精度高的，以免濾波頻率發生較大變化。

五、應用說明

1）應用場景：多點半雙工/全雙工傳輸，RS485速率最高可＞10Mbps，傳輸距離最長可達到1000m左右，但需要關注速率、傳輸介質與傳輸距離的關系等；

2）原理圖設計時，需要關注每對傳輸介質兩端均并聯端接120歐電阻，同時關注RS485相關設備的共地情況，必須確保各設備的共地電勢差小于7V；

3）PCB設計時，主要關注差分信號的等長、阻抗匹配120Ω，多點的驅動收發器按照菊花鏈方式進行鏈接，端接電阻兩端放置，其他收發器盡量距離主傳輸線較近。

六、RS485與M-LVDS對比說明

注：相關信息來自TI、ADI等網站。