1. 為什么需要平衡傳輸線標(biāo)準(zhǔn)本文的重點(diǎn)在于工業(yè)最廣泛使用的平衡傳輸線標(biāo)準(zhǔn)：ANSI/TIA/EIA-485-A（以下簡(jiǎn)稱485）。在回顧一些485標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵方面后，通過一個(gè)工廠自動(dòng)化例子，介紹實(shí)際項(xiàng)目中如何實(shí)施差分傳輸結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)距離、高噪聲環(huán)境下，計(jì)算機(jī)組件和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是困難的，如果有可能的話，盡量使用單端驅(qū)動(dòng)器和接收器。對(duì)于這種需要遠(yuǎn)距離通訊的系統(tǒng)，推薦使用平衡數(shù)字電壓接口。

485是一個(gè)平衡（差分）數(shù)字傳輸線接口，是為了改善TIA/EIA-232（以下簡(jiǎn)稱232）的局限性而開發(fā)出來的。485具有以下特性：“· 通訊速率高 – 可達(dá)到50M bits/s· 通訊距離遠(yuǎn) – 可達(dá)到1200米（注：100Kbps情況下）· 差分傳輸 – 較小的噪聲輻射· 多驅(qū)動(dòng)器和接收器在實(shí)際應(yīng)用中，如果兩個(gè)或更多計(jì)算機(jī)之間需要價(jià)格低廉、連接可靠的數(shù)據(jù)通訊，都可以使用485驅(qū)動(dòng)器、接收器或收發(fā)器。

一個(gè)典型的例子是銷售終端機(jī)和中心計(jì)算機(jī)之間使用485傳輸信息。使用雙絞線傳輸平衡信號(hào)具有較低的噪聲耦合，加上485具有很寬的共模電壓范圍，所以485允許高達(dá)50M bit/s的速率通訊，或者在低速情況下具有數(shù)千米通訊距離。由于485用途廣泛，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)將485標(biāo)準(zhǔn)作為它們通訊標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)范。包括ANSI的SCSI（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）、Profibus標(biāo)準(zhǔn)、DIN測(cè)量總線以及中國(guó)的的多功能電能表通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)DL/T645。

 

 

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)2.1線負(fù)載在485標(biāo)準(zhǔn)中，線負(fù)載要考慮線路終端和傳輸線上的負(fù)載。是否對(duì)傳輸線終端匹配取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也受傳輸線長(zhǎng)度和信號(hào)速率的影響（一般情況下，低速短距離可以不進(jìn)行終端匹配）。

2.1.1傳輸線終端匹配可以將傳輸線劃分為兩種模型：分布式參數(shù)模型[1]和集總參數(shù)模型[2]。測(cè)試傳輸線屬于哪種模型取決于信號(hào)的渡越（上升/下降）時(shí)間tt與驅(qū)動(dòng)器輸出到線纜末端的傳播時(shí)間tpd。如果2tpd≥tt/5，則傳輸線必須按照分布式參數(shù)模型處理，并且必須處理好傳輸線終端匹配；其它情況下，傳輸線看作節(jié)點(diǎn)參數(shù)模型，這時(shí)傳輸線終端匹配不是必須的。注1：分布式參數(shù)模型 - 電路中的電壓和電流是時(shí)間的函數(shù)而且與器件的幾何尺寸和空間位置有關(guān)。注2：集總參數(shù)模型 - 電路中任意兩個(gè)端點(diǎn)間的電壓和流入任一器件端點(diǎn)的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無(wú)關(guān)。

2.1.2單位負(fù)載概念掛接在同一485通訊總線上的驅(qū)動(dòng)器和接收器，其最大數(shù)量取決于它們的負(fù)載特性。驅(qū)動(dòng)器和接收器的負(fù)載都是相對(duì)單位負(fù)載而衡量的。485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一根傳輸總線上最多可以掛接32個(gè)單位負(fù)載。單位負(fù)載定義為：在12V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負(fù)載1mA電流，或者是在-7V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負(fù)載0.8mA電流。單位負(fù)載可能由驅(qū)動(dòng)器、接收器和失效保護(hù)電阻組成，但不包括AC終端匹配電阻。

圖2給出了SN75LBC176A收發(fā)器單位負(fù)載計(jì)算的例子。因?yàn)檫@款設(shè)備將驅(qū)動(dòng)器和接收器集成到一起構(gòu)成了收發(fā)器（即驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入連接到了同一根總線上），因此很難分別獲取驅(qū)動(dòng)器泄漏電流和接收器輸入電流。為了便于計(jì)算，將接收器輸入阻抗看作12 k?并給收發(fā)器1mA電流。這可以代表一個(gè)單位負(fù)載，一跟傳輸總線上允許32個(gè)這樣的負(fù)載。

 

只要接收器的輸入阻抗大于12k?，那么可以在一根傳輸總線上使用多于32個(gè)這樣的收發(fā)器。

 

 

2.2信號(hào)衰減和失真一個(gè)有用的常識(shí)是：在最大信號(hào)速率（單位：Hz）通訊的條件下，允許信號(hào)衰減-6dB。一般情況下，電纜供應(yīng)商會(huì)提供信號(hào)衰減圖表。圖3所示的曲線顯示了24-AWG電纜衰減和頻率的關(guān)系。

 

 

確定隨機(jī)噪聲、抖動(dòng)、失真等對(duì)信號(hào)影響程度的最簡(jiǎn)單方法是使用眼圖。圖4顯示使用20AWG雙絞線電纜500米處、不同信號(hào)速率下，接收端的信號(hào)失真情況。當(dāng)信號(hào)速率進(jìn)一步增加，抖動(dòng)的影響變得更加顯著。在1Mbit/s時(shí)，抖動(dòng)大約為5%，而在3.5Mbit/s時(shí)，信號(hào)開始徹底被淹沒，傳輸質(zhì)量嚴(yán)重降級(jí)。在實(shí)際系統(tǒng)中，可允許的最大抖動(dòng)一般要小于5%。

 

 

2.3故障保護(hù)和失效保護(hù)2.3.1故障保護(hù)和其它任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，必須習(xí)慣性的考慮故障應(yīng)對(duì)措施，不論這些故障是自然產(chǎn)生還是因環(huán)境誘導(dǎo)產(chǎn)生。對(duì)于工廠控制系統(tǒng)，通常要求對(duì)極端噪聲電壓進(jìn)行防護(hù)。485提供的差分傳輸機(jī)制，特別是寬共模電壓范圍，使得485對(duì)噪聲具有一定的免疫力。但面對(duì)復(fù)雜惡劣環(huán)境時(shí)，其免疫力可能不足。有幾種方法可以提供保護(hù)，最有效的方法是通過電流隔離，后面會(huì)討論這個(gè)方法。

電流隔離能夠提供更好的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，但是價(jià)格也更高。更流行并且比較便宜的方案是使用二極管保護(hù)。使用二極管方法代替電流隔離是一種折衷方法，在更低層次上提供保護(hù)。外接二極管和內(nèi)部集成瞬態(tài)保護(hù)二極管的例子如下圖所示：圖5所示485收發(fā)器SN75LBC176外接二極管來防止瞬態(tài)毛刺。

 

 

圖6所示內(nèi)部集成瞬態(tài)抑制二極管的485收發(fā)器SN75LBC184，用于既希望使用完整485功能，PCB空間又受限的場(chǎng)合。SN75LBC184在內(nèi)部集成了保護(hù)二極管，針對(duì)高能量電氣噪聲環(huán)境，可直接替換SN75LBC176。

 

 

2.3.2失效保護(hù)許多485應(yīng)用也要求提供失效保護(hù)，失效保護(hù)對(duì)于應(yīng)用層是很有用的，需要仔細(xì)考慮并充分理解。在任何多個(gè)驅(qū)動(dòng)器/接收器共用同一總線的接口系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器大多數(shù)時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)被稱為總線空閑狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器處于空閑狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出高阻態(tài)。

當(dāng)總線空閑時(shí)，沿線電壓處于浮空狀態(tài)（也就是說，不確定是高電平還是低電平）。這可能會(huì)造成接收器被錯(cuò)誤地觸發(fā)為高電平或低電平（取決于環(huán)境噪聲和線路浮空前最后一次電平極性）。顯然，這種情況是不受歡迎的。在接收器前面需要有相關(guān)電路，將這種不確定狀態(tài)變成已知的、預(yù)先約定好的電平，這稱之為失效保護(hù)。此外，失效保護(hù)還要能防止因短路而引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

有很多方法可以實(shí)現(xiàn)失效保護(hù)，包括增加硬件電路和使用軟件協(xié)議。盡管軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，但這是優(yōu)先推薦的方法。但是因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、硬件設(shè)計(jì)師更喜歡使用硬件實(shí)現(xiàn)失效保護(hù)，增加硬件電路實(shí)現(xiàn)失效保護(hù)更經(jīng)常被使用。無(wú)論出現(xiàn)短路還是開路情況，失效保護(hù)電路必須為接收器提供明確的輸入電壓。如果通訊線所處環(huán)境非常惡劣，則線路終端匹配也是必須的。

目前很多廠商開始將一些失效保護(hù)電路（如開路失效保護(hù)）集成到芯片內(nèi)部。通常這些額外的電路只是在接收器同相輸入端增加一個(gè)大阻值上拉電阻、在接收器反相端增加一個(gè)大阻值下拉電阻。這兩個(gè)電阻通常在100KΩ左右，這些電阻和終端匹配電阻形成一個(gè)潛在的驅(qū)動(dòng)器，僅能提供幾個(gè)mV的差分電壓。因此，這個(gè)電壓（接收器臨界電壓）并不足以切換接收器狀態(tài)。

使用這樣的內(nèi)部上下拉電阻允許總線不進(jìn)行終端匹配，但是會(huì)顯著的降低最大信號(hào)速率和可靠性。圖7給出了一些485接口通用外置失效保護(hù)電路，每個(gè)電路都盡力維持接收器輸入端電壓不小于最小臨界值并在一個(gè)或多個(gè)故障條件（開路、空閑、短路）下，維持一個(gè)已知的邏輯狀態(tài)。

在這些電路中，R2代表傳輸線阻抗匹配電阻，并成為電壓驅(qū)動(dòng)器的一部分：產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)偏置電壓。這里假設(shè)每個(gè)接收器代表1個(gè)單位負(fù)載。圖7右半部分的表格中列出了一些典型電阻和電容值、提供的失效保護(hù)類型、使用的單位負(fù)載個(gè)數(shù)和信號(hào)失真。在下一節(jié)中，會(huì)通過對(duì)短路失效電路中的電阻值計(jì)算，來說明如何修改這些電阻值以便適用于特定設(shè)計(jì)。

 

 

2.4電流隔離計(jì)算機(jī)和工業(yè)串行接口往往處于噪聲環(huán)境中，可能會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?duì)于任何接口電路，經(jīng)過測(cè)試的可以改善噪聲性能的方法是電流隔離。在數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中，隔離是指多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器之間沒有直接電流流通。

隔離變壓器為系統(tǒng)提供電源，光耦或數(shù)字隔離器件提供數(shù)據(jù)隔離。電流隔離可以去除地環(huán)流，抑制噪聲電壓。因此，使用這種技術(shù)可以抑制共模噪聲，降低其它輻射噪聲。舉一個(gè)例子，圖9顯示了過程控制系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過485鏈路連接數(shù)據(jù)記錄器和主計(jì)算機(jī)。當(dāng)臨近的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)記錄器和計(jì)算機(jī)的地電勢(shì)會(huì)出現(xiàn)瞬間不同，這通常會(huì)引起一個(gè)大電流。

如果數(shù)據(jù)通訊沒有采用隔離方案，數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失，更壞的情況下會(huì)損害計(jì)算機(jī)。2.4.1電路描述圖9所示的原理圖是分布式監(jiān)視、控制和管理系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這種方案通常用于過程控制。數(shù)據(jù)通過一對(duì)雙絞線傳輸，地線使用屏蔽層。這類應(yīng)用常常需要低功耗，因?yàn)樵S多遠(yuǎn)程分站使用電池或者要求有備用電池（電容停電后，需要設(shè)備能使用備用電池工作一定時(shí)間）。

此外，使用低功耗計(jì)數(shù)，可以使用小型隔離變壓器。如圖9所示，收發(fā)器使用SN65HVD10，當(dāng)然任何TI公司3.3V或5V RS485收發(fā)器、3.3-V TIA/EIA-644 LVDS或者3.3-V TIA/EIA-899 M-LVDS收發(fā)器都可以使用這個(gè)電路。2.4.2操作原理圖9所示的例子可用于3.3V或5V，電源使用變壓器隔離，數(shù)據(jù)信號(hào)采用數(shù)字隔離器隔離。因?yàn)?85收發(fā)器需要隔離電源，可調(diào)LDO穩(wěn)壓器必須被隔離。

可以使用與非門振蕩電路驅(qū)動(dòng)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)這一功能。變壓器的輸出電壓經(jīng)過調(diào)整、濾波后，供低壓差線性穩(wěn)壓器使用。在高EMI環(huán)境中，這種方法常用于預(yù)防其它遠(yuǎn)距離供電子系統(tǒng)的噪聲耦合到主電源。TPS7101用于給其它電子元件供電，最多提供500mA電流。通過調(diào)節(jié)偏置電阻R7，TPS7101可輸出3.3V或5V，具體阻值見BOM清單。

 

數(shù)據(jù)信號(hào)隔離又三通道數(shù)字隔離器ISO7231M完成。該設(shè)備可以通過150Mbps信號(hào)速率，提供2.5KV（rms）電壓隔離和50KV/us瞬間放電保護(hù)。

 

 

3.過程控制設(shè)計(jì)舉例為了獲得更多485系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，一個(gè)比較好的方法是看具體的例子?？紤]這樣一個(gè)系統(tǒng)：系統(tǒng)容量為1個(gè)主控制器、數(shù)個(gè)分站的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，每個(gè)分站都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)特性如下所示，通用規(guī)格見圖10。· 最遠(yuǎn)分站距主控制器500米· 31臺(tái)分站（加上主機(jī)共32臺(tái)設(shè)備）· 信號(hào)傳輸速率為500 kbit/s

 

· 半雙工通訊