电平标准RS485接口学习笔记
电平标准rs485接口学习
一、rs485概述
1）rs485:其主要特征：平衡接口、多点multipoint应用（多达32个单位负载）、半双工/双工通信、-7v到+12v总线共模范围、最大数据速率10mbps@10m，最长线缆长度1000米以上@100kbps。
2）rs485可认为仅定义“物理层”标准，其仅定义了相关的电气特性，因此也可被其他协议标准借用为其物理层接口，同时rs485是为了解决rs422多点拓扑问题而生，其电气特性兼容rs422接口，其收发器大部分可用于rs422的接口。
3）rs485相关规范标准： tia/eia-485规范，全称平衡数字多点系统驱动器接收器电气特性，英文electrical characteristics of generators and receivers for use in balanced digital multipoint systems。
4）使用场景：支持多个驱动器多个接收器，具有高鲁棒性和可靠性，在全球嘈杂工业环境中接口应用广泛。
二、拓扑结构
rs485是多点（multipoint）网络拓扑结构，与m-lvds拓扑结构类似，这种方式要求在布线过程中使用类似于菊花链的方式链接相关节点（即围绕一个主干线，所有的驱动器、接收器通过很短存根接入），在主干线最远两端放置端接电阻，如下图所示。
1）多点（multipoint）半双工拓扑特征如下图所示：
n*rs485驱动器、
n*rs485接收器、
1*rs485差分传输介质（半双工总线中使用1对2根传输介质）、
2*端接匹配电阻（放置在一对传输线两端）、
需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；
2）多点（multipoint）全双工拓扑特征如下图所示：
n*rs485驱动器、
n*rs485接收器、
2*rs485差分传输介质（全双工总线中使用2对四根传输线）、
2*2端接匹配电阻（2@1对传输介质两端，2对传输介质）、
全双工双向通信@2对传输介质；
全双工模式允许节点在一个对上发送数据，同时在另一个对上接收数据，需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；
三、工作原理
rs485的工作原理与lvds基本类似，如下图所示，但lvds属于电流驱动型（由恒流源驱动），而rs485属于电压驱动型（由电压源驱动），这属于比较大的区别。
如上图所示，rs485发送端包含一个h桥电路，当输入d为高电平时，打开q2和q3，则a端口为高电平，b端口为低电平，两者之间形成a到b的电流，a到b两端的电压vod是vcc电压分压的结果，rd与q2、q3的导通阻抗以及通路上的二极管进行分压，反之亦然。rs485输入端可看作一个比较器电路。
四、电气特性
1）输出特性（对发送端来说）
对rs485而言，同相输出信号va,反相输出信号vb,这里面还有两个概念，一个是差分输出电压vod，一个是共模输出电压vos.
vod=“va”-“vb”，可为正，也可为负，通常以|vod|表示,
1.5v≤|vod|≤5v，|va|≤6v，|vb|≤6v；|vos|≤3v。
一般来说，符合 rs-485 标准的驱动器可在 54ω 负载上提供vod不小于 1.5v 的差分输出。
2）输入特性（对接收端来说）
对于接收端来说，既有与输出类似的输入电压va和vb，也有共模电压vcm和差分电压vid概念，接收端针对这两个特性分别有要求，其中：
rs485是正值逻辑，差分电压会有个判决门限，正vid > +200 mv对应于逻辑1，负vid < −200 mv则对应于逻辑0。一般200mv<|vid|<10v。
rs485共模输入电压范围vcm很宽，-7v<|vcm|<12v，因此其抗干扰能力很强，需要特殊说明的是vcm=vos+gpd，其中vos是输出端的共模电压，gpd全称ground potential difference，是指接收端和驱动端的地电势之差，一般rs485要求的gpd在±7v之间，因此虽然rs485的发送端和接收端虽然可忍受较大范围的gpd，但还需要进行共地处理的，关于共地的接法没有一个很统一的认识：对于rs485接口，因其gpd允许范围较大，有种做法是驱动端和发送端分的信号数字地dgnd分别与各自产品端的kgnd通过电阻等单点连接，而系统内两个产品端的kgnd是可靠连通的；也可以将驱动端和接收端的接口芯片dgnd，通过单独走pcb走线引到对外接口上，从而实现两端dgnd连通，单独引出一个dgnd信号有可能会带来成本增加，也可能在dgnd回路产生较大电流，从而增加共模噪声的影响。
需要特别说明的是，如果差分电压在±200mv两个阈值之间，则rs485接收器输出为未定义态，可能为高电平或低电平，比如说rs485开路(线缆中断或者收发器从总线断开)、短路（差分对的导线因绝缘层失效而接触在一起）、总线空闲（所有总线驱动器均未处于活动状态）时。这种情况被称为fail-safe，通常fail-safe有两种方式，一种是新类型器件内置了fail-safe保护，对判决门限进行了偏置；另一种是外置fail-safe保护，即通过上下拉电阻分压方式，确保在差分信号线上产生足够的总线差分电压，从而使得接收器可产生一个确定的输出状态，如下图所示。
3）传输线
传输距离：rs485传输距离较lvds更长，可达1000m以上，其传输速率能够达到10mbps这样的速率，当然如下图所示，其传输速率与传输距离是成反比的，当传输线长度1000m时，速率最大100kbps左右，准确的距离还受传输介质、阻抗匹配等影响，需要通过仿真去评估。
传输介质：传输线可以为导线，也可以为pcb走线，其传输线缆推荐用双绞线，传输特性阻抗120欧姆，不一定必须要屏蔽双绞线。
端接电阻：端接电阻通常与传输线缆特性阻抗匹配，因此端接电阻选择120ω，放置在传输线最远两端各一个。在噪声环境下的应用时可以将120ω端接电阻替换为两个60ω电阻串联，中间接小电容到地，组成一个低通滤波器，用于提供额外的滤除共模噪声能力，电阻电容需要选择精度高的，以免滤波频率发生较大变化。
五、应用说明
1）应用场景：多点半双工/全双工传输，rs485速率最高可＞10mbps，传输距离最长可达到1000m左右，但需要关注速率、传输介质与传输距离的关系等；
2）原理图设计时，需要关注每对传输介质两端均并联端接120欧电阻，同时关注rs485相关设备的共地情况，必须确保各设备的共地电势差小于7v；
3）pcb设计时，主要关注差分信号的等长、阻抗匹配120ω，多点的驱动收发器按照菊花链方式进行链接，端接电阻两端放置，其他收发器尽量距离主传输线较近。
六、rs485与m-lvds对比说明
类别参数rs485m-lvds
拓扑 拓扑 多点（最多32个负载） 多点（最多32个）
驱动器数量 多个 多个
接收器数量 多个 多个
端接电阻 2个120ω@两端 2个100ω@两端
通信方向 半双工@1对传输线全双工@2对传输线 半双工@1对传输线全双工@2对传输线
发送 驱动方式 电压驱动型 电流驱动型
差分电压vod ≥1.5v 565mv480mv~650mv
接收 判决门限 ≥200mv—h≤-200mv—l ≥50mv—h≤-50mv—l@type1≥150mv—h≤50mv—l@type2
共地漂移 ±7v ±1v
传输 速率 最大10mbps 最大400mbps
距离 最大1000m 最大20m
阻抗 120ω 100ω
功耗 高 低
注：相关信息来自ti、adi等网站。
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一、rs485概述
1）rs485:其主要特征：平衡接口、多点multipoint应用（多达32个单位负载）、半双工/双工通信、-7v到+12v总线共模范围、最大数据速率10mbps@10m，最长线缆长度1000米以上@100kbps。
2）rs485可认为仅定义“物理层”标准，其仅定义了相关的电气特性，因此也可被其他协议标准借用为其物理层接口，同时rs485是为了解决rs422多点拓扑问题而生，其电气特性兼容rs422接口，其收发器大部分可用于rs422的接口。
3）rs485相关规范标准： tia/eia-485规范，全称平衡数字多点系统驱动器接收器电气特性，英文electrical characteristics of generators and receivers for use in balanced digital multipoint systems。
4）使用场景：支持多个驱动器多个接收器，具有高鲁棒性和可靠性，在全球嘈杂工业环境中接口应用广泛。
二、拓扑结构
rs485是多点（multipoint）网络拓扑结构，与m-lvds拓扑结构类似，这种方式要求在布线过程中使用类似于菊花链的方式链接相关节点（即围绕一个主干线，所有的驱动器、接收器通过很短存根接入），在主干线最远两端放置端接电阻，如下图所示。
1）多点（multipoint）半双工拓扑特征如下图所示：
n*rs485驱动器、
n*rs485接收器、
1*rs485差分传输介质（半双工总线中使用1对2根传输介质）、
2*端接匹配电阻（放置在一对传输线两端）、
需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；
2）多点（multipoint）全双工拓扑特征如下图所示：
n*rs485驱动器、
n*rs485接收器、
2*rs485差分传输介质（全双工总线中使用2对四根传输线）、
2*2端接匹配电阻（2@1对传输介质两端，2对传输介质）、
全双工双向通信@2对传输介质；
全双工模式允许节点在一个对上发送数据，同时在另一个对上接收数据，需要通过方向控制信号（例如驱动器/接收器使能信号）对节点进行控制，确保在任何时候总线上只有一个驱动器处于工作状态；
三、工作原理
rs485的工作原理与lvds基本类似，如下图所示，但lvds属于电流驱动型（由恒流源驱动），而rs485属于电压驱动型（由电压源驱动），这属于比较大的区别。
如上图所示，rs485发送端包含一个h桥电路，当输入d为高电平时，打开q2和q3，则a端口为高电平，b端口为低电平，两者之间形成a到b的电流，a到b两端的电压vod是vcc电压分压的结果，rd与q2、q3的导通阻抗以及通路上的二极管进行分压，反之亦然。rs485输入端可看作一个比较器电路。
四、电气特性
1）输出特性（对发送端来说）
对rs485而言，同相输出信号va,反相输出信号vb,这里面还有两个概念，一个是差分输出电压vod，一个是共模输出电压vos.
vod=“va”-“vb”，可为正，也可为负，通常以|vod|表示,
1.5v≤|vod|≤5v，|va|≤6v，|vb|≤6v；|vos|≤3v。
一般来说，符合 rs-485 标准的驱动器可在 54ω 负载上提供vod不小于 1.5v 的差分输出。
2）输入特性（对接收端来说）
对于接收端来说，既有与输出类似的输入电压va和vb，也有共模电压vcm和差分电压vid概念，接收端针对这两个特性分别有要求，其中：
rs485是正值逻辑，差分电压会有个判决门限，正vid > +200 mv对应于逻辑1，负vid < −200 mv则对应于逻辑0。一般200mv<|vid|<10v。
rs485共模输入电压范围vcm很宽，-7v<|vcm|<12v，因此其抗干扰能力很强，需要特殊说明的是vcm=vos+gpd，其中vos是输出端的共模电压，gpd全称ground potential difference，是指接收端和驱动端的地电势之差，一般rs485要求的gpd在±7v之间，因此虽然rs485的发送端和接收端虽然可忍受较大范围的gpd，但还需要进行共地处理的，关于共地的接法没有一个很统一的认识：对于rs485接口，因其gpd允许范围较大，有种做法是驱动端和发送端分的信号数字地dgnd分别与各自产品端的kgnd通过电阻等单点连接，而系统内两个产品端的kgnd是可靠连通的；也可以将驱动端和接收端的接口芯片dgnd，通过单独走pcb走线引到对外接口上，从而实现两端dgnd连通，单独引出一个dgnd信号有可能会带来成本增加，也可能在dgnd回路产生较大电流，从而增加共模噪声的影响。
需要特别说明的是，如果差分电压在±200mv两个阈值之间，则rs485接收器输出为未定义态，可能为高电平或低电平，比如说rs485开路(线缆中断或者收发器从总线断开)、短路（差分对的导线因绝缘层失效而接触在一起）、总线空闲（所有总线驱动器均未处于活动状态）时。这种情况被称为fail-safe，通常fail-safe有两种方式，一种是新类型器件内置了fail-safe保护，对判决门限进行了偏置；另一种是外置fail-safe保护，即通过上下拉电阻分压方式，确保在差分信号线上产生足够的总线差分电压，从而使得接收器可产生一个确定的输出状态，如下图所示。
3）传输线
传输距离：rs485传输距离较lvds更长，可达1000m以上，其传输速率能够达到10mbps这样的速率，当然如下图所示，其传输速率与传输距离是成反比的，当传输线长度1000m时，速率最大100kbps左右，准确的距离还受传输介质、阻抗匹配等影响，需要通过仿真去评估。
传输介质：传输线可以为导线，也可以为pcb走线，其传输线缆推荐用双绞线，传输特性阻抗120欧姆，不一定必须要屏蔽双绞线。
端接电阻：端接电阻通常与传输线缆特性阻抗匹配，因此端接电阻选择120ω，放置在传输线最远两端各一个。在噪声环境下的应用时可以将120ω端接电阻替换为两个60ω电阻串联，中间接小电容到地，组成一个低通滤波器，用于提供额外的滤除共模噪声能力，电阻电容需要选择精度高的，以免滤波频率发生较大变化。
五、应用说明
1）应用场景：多点半双工/全双工传输，rs485速率最高可＞10mbps，传输距离最长可达到1000m左右，但需要关注速率、传输介质与传输距离的关系等；
2）原理图设计时，需要关注每对传输介质两端均并联端接120欧电阻，同时关注rs485相关设备的共地情况，必须确保各设备的共地电势差小于7v；
3）pcb设计时，主要关注差分信号的等长、阻抗匹配120ω，多点的驱动收发器按照菊花链方式进行链接，端接电阻两端放置，其他收发器尽量距离主传输线较近。
六、rs485与m-lvds对比说明
类别参数rs485m-lvds
拓扑 拓扑 多点（最多32个负载） 多点（最多32个）
驱动器数量 多个 多个
接收器数量 多个 多个
端接电阻 2个120ω@两端 2个100ω@两端
通信方向 半双工@1对传输线全双工@2对传输线 半双工@1对传输线全双工@2对传输线
发送 驱动方式 电压驱动型 电流驱动型
差分电压vod ≥1.5v 565mv480mv~650mv
接收 判决门限 ≥200mv—h≤-200mv—l ≥50mv—h≤-50mv—l@type1≥150mv—h≤50mv—l@type2
共地漂移 ±7v ±1v
传输 速率 最大10mbps 最大400mbps
距离 最大1000m 最大20m
阻抗 120ω 100ω
功耗 高 低
注：相关信息来自ti、adi等网站。
家用土壤检测仪的特点有哪些
新能源汽车有哪些优势_比传统汽车的优势在哪里
GaN 助力电源的效率和小型化
芯盾时代入选年度成长力10强，获评未来网络安全中坚力量
3D打印机多少钱一台，如何挑选一台性价比高的3D打印机
电平标准RS485接口学习笔记
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COVID-19加速了对5G技术的需求
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基于晶体管的麦克风前置放大器电路图
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