RS-485串行数据通信协议及其应用

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-485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。

图4. Maxim的MAX3469与其它RS-485驱动器件的眼图对比[4]

图5. MAX3469的眼图

　　对于一个点到点通信系统，从±100mV差分信号(图4)或0V差分信号(图5)下的测试结果可以看出比特率与电缆长度的关系。+100mV和-100mV门限能够正确切换差分信号大于200mV的信号，因此，该门限值可确保接收器正确接收数据(图5数据仅适用于可在0V差分输入下切换的理想接收器)。

眼图和故障模式

　　采用340英尺的5类电缆，图2给出了39Mbps传输速率下的驱动器输出眼图，图中，信号从"眼"的中间穿过 - 这种情况表明可能出现误码。然而，在相同数据速率下，Maxim公司的器件不会出现这种情况(图3)。Maxim的收发器具有对称的输出边沿和较低的输入电容，性能良好。

　　采用上述测试对两款驱动器进行比较。当数据速率较高、电缆较长时，Maxim驱动器的性能更出色。图5给出点对点网络中Maxim器件的传输速率和距离的估计值。根据经验，所产生的误码大致符合50%抖动极限的要求。

各方研究数据

　　在工业领域，通常可接受的传输距离和数据速率的最大值分别为4000英尺和10Mbps，当然这两个值不能同时满足。然而，利用最新器件和精细的系统设计，可在较长的电缆下实现较高的数据吞吐率。

　　预加重[5]是一种改善数据速率与距离间关系的技术，可用于RS-485通信(图6)。采用1700英尺电缆，工作在1Mbps固定数据速率，没有预加重驱动器或均衡接收器的RS-485收发器通常具有10%的抖动。在相同速率下，增加驱动器预加重可使距离加倍，达到3400英尺，而且不会提高抖动。同样，距离一定时采用预加重能提高数据速率。速率为400kbps，电缆长度为4000英尺时，无预加重的驱动器通常具有10%的抖动。而采用预加重可使该距离下的传输速率提升至800kbps。

图6. 数据速率与电缆长度的关系图

　　另一种估算可靠传输的最大电缆长度的方法是：利用5类电缆制造商提供的幅度衰减与频率的关系表。根据通用规则，电缆工作时最大允许的信号衰减是-6dBV。该数值结合厂家提供的衰减数据，计算出给定频率下的最大电缆长度。

应用技巧

RS-485收发器具有多种改善系统性能的特性： 预加重(上文所述)：降低码间干扰 降低接收器单位负载：低负载器件可低至1/8单位负载，允许总线上挂接最多256个器件。这种器件还可降低总线负载，从而允许较长的电缆和较高的传输速率。 高速器件：目前可提供数据速率高达52Mbps的驱动器，这种高速器件须特别注意保