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RS-485之信号反射与终端电阻

2018-01-03 18:05 来源:ZLG致远电子 编辑:海洋之神首页网
RS-485总线具有结构简单、成本低等优点,但各位工程师在组建RS-485总线网络时,为提升整个网络通信的可靠性,想必会经常会遇到一个问题:需不需要加终端电阻呢?本文将为你解答。 1、终端电阻的作用 对于RS-485总线,终端电阻主要是为了匹配通信线的特性阻抗,防止信号反射,提高信号质量。 在组建RS-485总线网络时,通常使用特性阻抗为120Ω的屏蔽双绞线,由于RS-485收发器输入阻抗一般较高(例如RSM485ECHT输入阻抗为96kΩ,最多可连接256个节点),在信号传输到总线末端时会由于受到的瞬时阻抗发生突变(以RSM485ECHT为例,阻抗由120Ω变为96kΩ),导致信号发生反射,影响信号的质量。RSM485ECHT在1200m,500kbps通信速率的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如图 1和图 2所示,终端电阻明显改善了信号的质量。 图片1 图1 RSM485ECHT 1200m 500kbps不加终端电阻 图片2 图2 RSM485ECHT 1200m 500kbps 加终端电阻 2、终端电阻带来的问题 终端电阻虽然可以提高信号质量,但还具有以下几个问题: 1)降低了驱动信号的幅值 RS-485总线上的负载越大,RS-485收发器输出差分电压幅值越低,RSM485ECHT在5m,500kbps的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如图 3和图 4所示,可以看出驱动信号在增加终端电阻后降低了2V左右。 图片3 图3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加终端 图片4 图4 RSM485ECHT 5m 500kbps 加终端 2)增大了通信线上的压降 增加终端电阻使通信线缆上的电流增大,产生了较大的压差,降低了接收端的信号幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信号波形如图 5和图 6所示(0.75mm2通信线),末端信号与首端信号相比下降了0.7V左右。 图片5 图5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 首端波形 图片6 图6 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 末端波形 3)增大了收发器的功耗 增加终端电阻对于接收状态时的工作电流影响不大,但会大大增加驱动状态时的工作电流。以RSM485ECHT为例,RSM485ECHT处于接收状态时工作电流为20mA左右,在驱动状态不加终端电阻时工作电流为27mA左右,在驱动状态加终端电阻时工作电流为83mA左右,可以看出终端电阻大大增加了RS-485收发器的功耗,对于有功耗要求的应用场合,应谨慎使用终端电阻。 4)降低总线空闲时的差分电压 如图 7所示为两个RSM485ECHT通信示意图。 图片7 图7 RSM485ECHT通信等效示意图 当两个模块都处于接收状态时,可以根据基尔霍夫电流定律对节点A和节点B列出下列公式: 5-7 其中:RPUD为RSM485ECHT内置上下拉电阻,120kΩ;RIN为RSM485ECHT输入阻抗,96kΩ;根据上述公式可以计算AB之间的差分电压为: 6-7 由于RSM485ECHT的门限电平为-200mV~-40mV,所以在上述情况下,模块仍然输出高电平,保证总线空闲时不会误接收数据。但对于门限电平为-200mV~+200mV的RS-485收发器,输出电平为不确定状态,此时有可能误接收数据。 3、如何解决增加终端电阻后空闲状态的问题? 对于空闲状态的问题有两个解决方法: 1)使用类似RSM485ECHT的模块(门限电平为-200mV~-40mV),当RS-485总线的差分电压大于-40mV时RS-485收发器的输出即为高电平。 2)使用RSM485PCHT或RSM485PHT等带有输出隔离海洋之神首页的模块,可以通过在外部增加较小的上下拉电阻将RS-485总线的空闲状态时的电压拉到+200mV以上(一般要留有100mV或200mV以上的裕量),保证空闲时RS-485总线差分电压不处于门限电平范围内,但上下拉电阻值不能太小,一般总线上拉(或下拉)并联值要大于375Ω。 4、什么时候需要加终端电阻? 1)通信速度低或者通信距离近的情况下建议不加终端电阻 通信速度低或者通信距离近的情况下,信号反射对通信信号的影响不大,而且不加终端电阻可以大大降低功耗,并且通过加较大上下拉电阻值即可保证RS-485总线空闲时具有较高的差分电压幅值,提高了通信的可靠性。 2)通信距离较长且通信速度较快,对信号质量要求较高的情况 此时可以增加终端电阻,防止阻抗突变引起的信号反射问题,提高信号质量,但应确保在总线空闲时总线的差分电压不处于门限电平范围内。 3)对功耗有要求且通信距离较长的情况 反射信号在总线上来回反弹,反射信号会逐渐消耗掉。对于串口通信,MCU一般在一个位的中间时间对信号进行采样,由于低通信速度的情况下,每一个位的时间较长,所以在到达采样点时反射信号已被消耗掉,对通信已无影响。RSM485ECHT在1200m 9600bps不加终端电阻首端和末端的波形如图8和图9所示,可以看出反射信号在到达每一个位中间前就已经被消耗掉了。 所以对RS-485的收发器的功耗有较高要求且通信距离较长的应用,应适当降低通信的速度。 图片8 图8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 首端波形 图片9 图9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 末端波形
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