詳解RS-485之信號(hào)反射與終端電阻

RS-485總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但各位工程師在組建RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，想必會(huì)經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)問題：需不需要加終端電阻呢?本文將為你解答。

1、終端電阻的作用

對(duì)于RS-485總線，終端電阻主要是為了匹配通信線的特性阻抗，防止信號(hào)反射，提高信號(hào)質(zhì)量。

在組建RS-485總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常使用特性阻抗為120Ω的屏蔽雙絞線，由于RS-485收發(fā)器輸入阻抗一般較高(例如RSM485ECHT輸入阻抗為96kΩ，最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn))，在信號(hào)傳輸?shù)娇偩€末端時(shí)會(huì)由于受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生突變(以RSM485ECHT為例，阻抗由120Ω變?yōu)?6kΩ)，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生反射，影響信號(hào)的質(zhì)量。RSM485ECHT在1200m，500kbps通信速率的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 1和圖 2所示，終端電阻明顯改善了信號(hào)的質(zhì)量。

圖1 RSM485ECHT 1200m 500kbps不加終端電阻

圖2 RSM485ECHT 1200m 500kbps 加終端電阻

2、終端電阻帶來(lái)的問題

終端電阻雖然可以提高信號(hào)質(zhì)量，但還具有以下幾個(gè)問題：

1)降低了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值

RS-485總線上的負(fù)載越大，RS-485收發(fā)器輸出差分電壓幅值越低，RSM485ECHT在5m，500kbps的情況下不加終端電阻和加終端電阻的波形如圖 3和圖 4所示，可以看出驅(qū)動(dòng)信號(hào)在增加終端電阻后降低了2V左右。

圖3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加終端

圖4 RSM485ECHT 5m 500kbps 加終端

2)增大了通信線上的壓降

增加終端電阻使通信線纜上的電流增大，產(chǎn)生了較大的壓差，降低了接收端的信號(hào)幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信號(hào)波形如圖 5和圖 6所示(0.75mm2通信線)，末端信號(hào)與首端信號(hào)相比下降了0.7V左右。

圖5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 首端波形

圖6 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加終端電阻 末端波形

3)增大了收發(fā)器的功耗

增加終端電阻對(duì)于接收狀態(tài)時(shí)的工作電流影響不大，但會(huì)大大增加驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的工作電流。以RSM485ECHT為例，RSM485ECHT處于接收狀態(tài)時(shí)工作電流為20mA左右，在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)不加終端電阻時(shí)工作電流為27mA左右，在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)加終端電阻時(shí)工作電流為83mA左右，可以看出終端電阻大大增加了RS-485收發(fā)器的功耗，對(duì)于有功耗要求的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)謹(jǐn)慎使用終端電阻。

4)降低總線空閑時(shí)的差分電壓

如圖 7所示為兩個(gè)RSM485ECHT通信示意圖。

圖7 RSM485ECHT通信等效示意圖

當(dāng)兩個(gè)模塊都處于接收狀態(tài)時(shí)，可以根據(jù)基爾霍夫電流定律對(duì)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B列出下列公式：

其中：RPUD為RSM485ECHT內(nèi)置上下拉電阻，120kΩ;R­IN為RSM485ECHT輸入阻抗，96kΩ;根據(jù)上述公式可以計(jì)算AB之間的差分電壓為：

由于RSM485ECHT的門限電平為-200mV～-40mV,所以在上述情況下，模塊仍然輸出高電平，保證總線空閑時(shí)不會(huì)誤接收數(shù)據(jù)。但對(duì)于門限電平為-200mV～+200mV的RS-485收發(fā)器，輸出電平為不確定狀態(tài)，此時(shí)有可能誤接收數(shù)據(jù)。

3、如何解決增加終端電阻后空閑狀態(tài)的問題?

對(duì)于空閑狀態(tài)的問題有兩個(gè)解決方法：

1)使用類似RSM485ECHT的模塊(門限電平為-200mV～-40mV)，當(dāng)RS-485總線的差分電壓大于-40mV時(shí)RS-485收發(fā)器的輸出即為高電平。

2)使用RSM485PCHT或RSM485PHT等帶有輸出隔離電源的模塊，可以通過在外部增加較小的上下拉電阻將RS-485總線的空閑狀態(tài)時(shí)的電壓拉到+200mV以上(一般要留有100mV或200mV以上的裕量)，保證空閑時(shí)RS-485總線差分電壓不處于門限電平范圍內(nèi)，但上下拉電阻值不能太小，一般總線上拉(或下拉)并聯(lián)值要大于375Ω。

4、什么時(shí)候需要加終端電阻?

1)通信速度低或者通信距離近的情況下建議不加終端電阻

通信速度低或者通信距離近的情況下，信號(hào)反射對(duì)通信信號(hào)的影響不大，而且不加終端電阻可以大大降低功耗，并且通過加較大上下拉電阻值即可保證RS-485總線空閑時(shí)具有較高的差分電壓幅值，提高了通信的可靠性。

2)通信距離較長(zhǎng)且通信速度較快，對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的情況

此時(shí)可以增加終端電阻，防止阻抗突變引起的信號(hào)反射問題，提高信號(hào)質(zhì)量，但應(yīng)確保在總線空閑時(shí)總線的差分電壓不處于門限電平范圍內(nèi)。

3)對(duì)功耗有要求且通信距離較長(zhǎng)的情況

反射信號(hào)在總線上來(lái)回反彈，反射信號(hào)會(huì)逐漸消耗掉。對(duì)于串口通信，MCU一般在一個(gè)位的中間時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，由于低通信速度的情況下，每一個(gè)位的時(shí)間較長(zhǎng)，所以在到達(dá)采樣點(diǎn)時(shí)反射信號(hào)已被消耗掉，對(duì)通信已無(wú)影響。RSM485ECHT在1200m 9600bps不加終端電阻首端和末端的波形如圖8和圖9所示，可以看出反射信號(hào)在到達(dá)每一個(gè)位中間前就已經(jīng)被消耗掉了。[!--empirenews.page--]

所以對(duì)RS-485的收發(fā)器的功耗有較高要求且通信距離較長(zhǎng)的應(yīng)用，應(yīng)適當(dāng)降低通信的速度。

圖8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 首端波形

圖9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加終端 末端波形