RS-485之信号反射与终端电阻

时间:2018-01-03 15:59来源:ZLG致远电子

摘要: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。

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1 RSM485ECHT 1200m 500kbps 不加终端电阻
 
 
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3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加终端
 
 
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5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 首端波形
 
 
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 20m A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:


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:


 
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 等带有输出隔离电源的模块,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8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 首端波形
 
 
图9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 末端波形
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