作者：模擬 IC 設(shè)計(jì)工程師 MICHAEL JACKSON 和Maxim Integrated應(yīng)用、工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部總監(jiān) SEAN LONG?

隨著現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境變得越來(lái)越大和越來(lái)越復(fù)雜，生產(chǎn)工程師在自動(dòng)化工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局方面面臨挑戰(zhàn)，特別是在通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、范圍和數(shù)據(jù)速率方面。然而，在惡劣、嘈雜的環(huán)境中經(jīng)受住時(shí)間考驗(yàn)的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是 RS-485，而信號(hào)調(diào)理和處理方面的最新進(jìn)展將確保它繼續(xù)這樣做。

本文將簡(jiǎn)要回顧最初的 RS-485 規(guī)范并介紹其相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。然后，它將展示如何擴(kuò)展其功能以滿足現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的需求。

RS-485 的演進(jìn)20 多年來(lái)，PROFIBUS 等常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)在惡劣、電噪聲的工業(yè)環(huán)境中跨物理介質(zhì)傳輸電信號(hào)（圖 1）。

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然而，隨著這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展和演變，最初的 RS-485 規(guī)范正被推向其極限（甚至超越）。

最初的 ANSI/TIA/EIA-485-A-1998 標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在通常稱為 RS-485，于 1998 年 3 月獲得批準(zhǔn)。RS-485 是一種雙向、半雙工標(biāo)準(zhǔn)，具有多個(gè)“總線”驅(qū)動(dòng)器和接收器，其中每個(gè)司機(jī)都可以放棄公共汽車。RS-485 是一種純電氣物理層 (PHY) 標(biāo)準(zhǔn)，它依賴于差分信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗噪性，通常在平衡傳輸電纜上，例如非屏蔽雙絞線 (UTP)。

在 –7V 至 12V 總線共模范圍內(nèi)，接收器輸入靈敏度為 ±200mV，這意味著要識(shí)別“標(biāo)記”（邏輯 1）或“空格”（邏輯 0），接收器必須看到信號(hào)電平高于 200 mV 或低于 –200 mV。最大接收器輸入阻抗為 12 kΩ，驅(qū)動(dòng)器輸出電壓最小為 ±1.5 V，最大為 ±5 V。圖 2 列出了原始 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵規(guī)范。

圖 2：原始 RS-485 規(guī)范的最大數(shù)據(jù)速率為 10 Mbits/s，可在 10 m 至 15 m 的短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)在幾米范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 40 Mbits/s 的速度。

RS-485 的優(yōu)缺點(diǎn)RS-485 因其差分特性而常用于工業(yè)環(huán)境中設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，可確保在工廠環(huán)境中典型的惡劣和嘈雜的電場(chǎng)/磁場(chǎng)中具有高抗噪性。然而，雖然最初的標(biāo)準(zhǔn)被定義為以高達(dá) 10 Mbits/s 的速度和高達(dá) 1.2 公里的距離運(yùn)行，但這些無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。在相對(duì)較短的距離（10 m 至 15 m）上可實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率。估計(jì)數(shù)據(jù)速率和距離之間折衷的經(jīng)驗(yàn)法則是，數(shù)據(jù)速率（以比特/秒為單位）與距離（以米為單位）的乘積不應(yīng)超過(guò) 1 × 10 8。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要求以不斷提高的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，這意味著現(xiàn)代 RS-485 收發(fā)器的設(shè)計(jì)人員已將原始規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其原始限制。現(xiàn)代收發(fā)器以原始規(guī)格的倍數(shù)工作的情況并不少見(jiàn)——例如，30 Mbits/s 到 40 Mbits/s。這些數(shù)據(jù)速率只能在相對(duì)較短的距離（大約幾米）內(nèi)實(shí)現(xiàn)。然而，現(xiàn)代過(guò)程控制系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性要求信號(hào)在中等距離（最長(zhǎng) 100 m）上以更高的速度傳播。為此，需要重新檢查 RS-485 的實(shí)施。

更長(zhǎng)距離的更高速度工程師指出，符號(hào)間干擾主要限制了 RS-485 通信的最大距離，而預(yù)加重可以非常有效地減少這種干擾。預(yù)加重應(yīng)用于傳輸信號(hào)的源頭，在電信道之前，并提高目的地的信號(hào)質(zhì)量。該技術(shù)很常見(jiàn)。例如，在 IC 布局程序中，預(yù)加重調(diào)整線寬以補(bǔ)償拐角處發(fā)生的蝕刻速率變化。在磁盤驅(qū)動(dòng)器控制器中，預(yù)加重可補(bǔ)償磁盤中心附近較差的頻率響應(yīng)。另一種類型的預(yù)加重通過(guò)在錄制時(shí)增強(qiáng)中高頻音頻頻帶中的低電平信號(hào)，然后在回放過(guò)程中反轉(zhuǎn)此過(guò)程來(lái)減少磁帶嘶嘶聲。?

基于這一發(fā)現(xiàn)，工程師開(kāi)發(fā)了包含內(nèi)部預(yù)加重的 RS-485 收發(fā)器，以進(jìn)一步擴(kuò)展現(xiàn)代設(shè)備的功能，使其超越其已經(jīng)先進(jìn)的性能，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原始規(guī)范。例如，現(xiàn)代設(shè)備顯示能夠在 10 m 上傳輸超過(guò) 100 Mbits/s（圖 3）。

圖 3：現(xiàn)代 RS-485 收發(fā)器使用 Cat5e UTP 電纜可在 10 m 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 100 Mbits/s 且具有良好的眼圖張開(kāi)度。（2.5 ns/div 的刻度）

如所示眼圖（圖 3）中約 ±2 V 的差分電壓電平（測(cè)量值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小 ±200 mV）所示，該器件在 10米的 Cat5e 電纜（根據(jù)所選電纜的選擇，可能甚至更長(zhǎng)的距離）。

通過(guò)較長(zhǎng)的工廠網(wǎng)絡(luò)電纜運(yùn)行也可以獲得相對(duì)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率：在 100 m 電纜上高達(dá) 50 Mbits/s。盡管不那么明顯，但在此速度下（約 ±0.7 V）的眼圖張開(kāi)仍然大于原始 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)定義的最小電壓電平（圖 4）。

圖 4：在長(zhǎng)達(dá) 100 m 的較長(zhǎng)工廠電纜運(yùn)行中，RS-485 可以達(dá)到 50 Mbits/s，再次使用 Cat5e，盡管眼圖張開(kāi)可能不那么明顯。（比例為 5ns/div）

使用預(yù)加重，收發(fā)器的性能——在這種情況下是 Maxim Integrated 的 MAX22500E——可以在這些更長(zhǎng)的距離上進(jìn)一步提高（圖 5）。

圖 5： 使用預(yù)加重，在 100 m 以 50 Mbits/s 運(yùn)行時(shí)，眼圖張開(kāi)顯著改善，從 ±0.7 V 變?yōu)?±1 V。（以 5ns/div 縮放）

速度和距離與圖 4相同，但啟用預(yù)加重功能會(huì)增加電壓電平，因此圖中的眼圖張開(kāi)明顯更明顯。

這種實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸預(yù)加重的能力為設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供了額外的靈活性，可以使用 RS-485 接口實(shí)現(xiàn)所需的速度與距離性能水平。

MAX22500E 等現(xiàn)代 RS-485 器件的其他特性包括 –15-V 至 15-V 共模范圍和集成 ESD 保護(hù)至 ±15-kV ESD 保護(hù)（人體模型）、±7-kV IEC 61000-4-2 氣隙 ESD 保護(hù)、±6kV IEC 61000-4-2 接觸放電 ESD 保護(hù)以及驅(qū)動(dòng)器輸出的短路保護(hù)。

結(jié)論盡管 RS-485 穩(wěn)健可靠，但在速度和可達(dá)到的距離之間需要進(jìn)行重大權(quán)衡。現(xiàn)代收發(fā)器使用預(yù)加重和其他技術(shù)在全雙工或半雙工模式下，在 10 m 電纜上提供高達(dá) 100 Mbits/s 的可靠數(shù)據(jù)傳輸，在 100 m 上提供高達(dá) 50 Mbits/s 的可靠數(shù)據(jù)傳輸。這意味著工業(yè)自動(dòng)化和控制設(shè)備的設(shè)計(jì)人員可以自信地計(jì)劃在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)繼續(xù)使用 RS-485 作為復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的通信接口。

審核編輯 黃昊宇