RS-485串行数据通信协议及其应用
概述
串行数据通信的协议从RS-232到千兆位以太网，虽然每种协议都有特定的应用领域，但任何情况下我们都必须考虑成本和物理层(PHY)性能。本文主要介绍RS-485协议及该协议所适合的应用。同时给出了根据电缆长度、系统设计以及元件选择来优化数据速率的方法。
传输协议
什么是RS-485？Profibus又是什么？与其它串行协议相比，它们的性能如何？适用于哪些应用？为了回答这些问题，我们对RS-485物理层(PHY)、RS-232和RS-422的特性、功能进行了总体比较[1] (本文中的RS表示ANSIEIA/TIA标准)。RS-232是一个最初用于调制解调器、打印机及其它PC外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特，后来速率提高至1Mbps。RS-232的其它技术指标包括：标称±5V发送电平、±3V接收电平(间隔/符号)、2V共模抑制、2200PF最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器(负载)阻抗、100英尺(典型值)最大电缆长度。RS-232只用于点对点通信系统，不能用于多点通信系统，所有RS-232系统都必须遵从这些限制。
RS-422是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。RS-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50Mbps。接收器共模范围为±7V，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。
RS-485标准
RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。
接收器输入灵敏度为±200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200m V或低于-200mV。最小接收器输入阻抗为12k,驱动器输出电压为±1.5V (最小值)、±5V (最大值)。
驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。
采用典型的24AWG双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。RS-485已经成为POS、工业以及电信应用中的最佳选择。较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境(如工厂车间)下的数据传输。更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。
Profibus和Fieldbus[2]总线主要用于工业设备，是RS-485总线的扩展。用于工业环境的传感器
测量、激励控制、数据采集/显示以及过程控制系统与传感器、激励源网络之间的数据通信。
注意：老式或现有的工业设备布线架构比较复杂，不可替换。
Profibus和Fieldbus是对系统的整体描述。RS-485支持Profibus和Fieldbus协议的物理层接口标准。Profibus与Fieldbus存在细微的差异，Profibus要求2.0V的最小差分输出电压，54的负载电阻；Fieldbus则要求1.5V的最小差分输出电压，54的负载电阻。Profibus传输速率为12Mbps，Fieldbu s的传输速率为500kbps。Profibus应用对摆率和电容容限要求比较严格。
最适合的应用领域？
RS-232：用于与调制解调器、打印机及其它PC外设之间的通信。最大电缆长度为100英尺(典型值)。
RS-422：适用于单主机(驱动器)工业环境。典型应用包括：过程自动化(化工、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、HVAC、安防、电机控制、运动控制等。
RS-485：适用于多主机/驱动器工业环境。其典型应用与RS-422相似，包括：过程自动化(化工、酿造、造纸)、工厂自动化(汽车制造、金属加工)、HVAC、安防、电机控制、运动控制。
哪些因素限制了RS-485的数据速率？
在指定的传输距离下，下列因素限制了传输速率：
电缆长度：在特定频率下，信号强度会随着电缆长度而衰减。
电缆架构：5类24AWG双绞线是RS-485系统最常用的电缆，屏蔽电缆可大大增强噪声抑制能力，提高了一定距离下的数据传输速率。
电缆特性阻抗：分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度，从而降低噪声裕量、补偿“眼图模板”特性。分布电阻直接导致信号电平的衰减。
驱动器输出阻抗：阻抗过高会限制驱动能力。
接收器输入阻抗：阻抗过低会限制与驱动器通信的接收器数量。
终端匹配：长电缆可看作传输线。电缆上应接阻值等于电缆特性阻抗的终端匹配电阻，可以降低信号反射，并提高数据速率。
噪声裕量：越大越好。
驱动器摆率：降低边沿速率(降低信号摆率)允许采用较长的电缆进行通信。
经验数据
了解了以上相关的背景知识，接下来我们研究一个实际系统，如图1所示。图中所示电缆是RS-4 85系统最为常用的一种：EIA/TIA/ANSI 568 5类双绞线。在长度为300英尺至900英尺的电缆上可以获得的数据速率为1Mbps至35Mbps。
图1. 测试装置
系统设计人员经常从两个不同厂商选择驱动器和接收器，多数设计人员最关注的是RS-485驱动器的传输距离和速度。Maxim驱动器(这里指MAX3469)与其它制造商的驱动器性能比较如图2、图3所示。
图2. 在特定比特率、电缆长度下的抖动特性，抖动是在±100mV差分信号下测量的
图3. 在特定比特率、电缆长度下的抖动指标，抖动是在0V差分信号下测量的
通过观察驱动器的差分输出信号的完整性，利用示波器确定80mV与-400mV之间的翻转门限(由于接收器具有200mV至-200mV的输入范围和噪声裕量，因此选取这一门限范围)。然后，当脉冲(比特)开始“传送”时，用眼图确定失真度、噪声以及码间干扰(ISI)。
ISI指标限制了比特率，以保证系统能够在脉冲之间识别出传输数据。对图1电路的测试结果表明翻转门限与眼图模板之间具有相关性。该眼图模板存在50%的抖动，按照NATIONAL SEMICONDUCTOR的应用笔记#977[3]所介绍的方法进行测量。测量0V差分信号和±100mV差分信号下的抖动，得到图4和图5所示数据。