无论您从事工业自动化、过程控制、机器设计还是任何其他工业应用,在某个时间点您都可能会遇到 RS-485 网络,为其进行故障排除绝对是一场噩梦。

RS-485 有很多优点,通过 RS-485 连接,可以铺设数千米的信号线,并成功地通过线路传输数据,无论是短的还是长的 RS-485 线路。甚至可以使用 RS-485 将最多 256 个不同的设备连接在一起(设备数量取决于 RS-485 网络配置、RS-485 驱动程序和每个 RS-485 节点的单位负载)。

从接线的角度来看,它在很大程度上非常简单,只需要一根传输线、一根接收线和一根信号公共线(是的,请使用一根信号公共线,仅一端接地,谢谢!)。但构建强大且可靠 RS-485 网络需要考虑很多因素。

RS-485 也是一种相当宽容的协议,即使总线配置错误,也可以正常工作多年。在某些 RS-485 网络设计中,偏置和端接用于使 RS-485 网络更加稳健并且通信更加可靠。

如果您的网络出现通信问题,终止和偏置通常是改善 RS-485 网络通信的首要起点。

要真正了解何时以及如何实施它们,我们需要首先了解 长 RS-485 线路 与 短 RS-485 线路 ,这不仅仅与电线的物理长度有关。

长线与短线

您可能会惊讶地发现 长 RS-485 线路 和 短 RS-485 线路 与电缆的长度并不完全相关。长和短实际上与 RS-485 线路行为有更多关系,特别是信号从 RS-485 发送端传输到 RS-485 接收端所需的时间。

许多因素会影响所需的时间,包括信号在给定类型物理线路中传播的速度、通过线路传播的信号的频率(考虑数据传输速度,例如 9600 bps),以及电线本身的物理长度。

如果电线相当短并且信号频率(数据传输速度)相对较低,例如 300 bps,则发送和接收数据所需的时间对传输数据的质量影响很小。在这些类型场景中,您通常可以假设当发射器启用或打开时,另一端的接收器立即看到信号。

然而,如果我们将频率提高到 19,200 bps,并将电线延长1200米,则会显着增加传输的 RS-485 信号到达 RS-485 接收器所需的时间。

为了了解信号级真正发生的情况,我们需要了解术语“上升时间”和“电缆延迟”。

上升时间

Modbus总线中为什么要加终端电阻,作用是什么?插图1

现在让我们看看电缆延迟。

电缆延迟

电缆延迟是指信号通过电缆从 RS-485 发送器传输到 RS-485 接收器所需的时间。电信号通过铜线的传输速度为每秒 124,000 到 140,000 英里(哇,太快了)。该速度通常称为信号的传播速率、传播速度或传输速度。基本上,这是通过电线实际获取电信号所需的时间。

总结一下上升和下降时间以及电缆延迟,如果电缆很短并且上升时间很快,那么信号延迟实际上不需要担心。但是,如果您开始使用上升时间较慢的 RS-485 发送器延长至1200米的电线,则可能会遇到问题。

是长还是短?

一般准则是根据 TIA-485-A 标准确定 RS-485 线路是长还是短。在该标准中,特别是在补充 TSB-89-A 中,当信号的上升时间小于单向电缆延迟的两倍时,RS-485 线路被视为较长。

因此请记住,仅仅因为 RS-485 线路物理上短或长并不一定表明需要偏置或终止。那么我们什么时候需要实现偏置和终止呢?

何时终止 RS-485 线路

无论 RS-485 驱动器上升时间是慢还是快,或者 RS-485 线路长还是短,所有 RS-485 线路都可能遭受阻抗不匹配的影响,从而导致电压和电流反射。通常反射发生在长线路上,导致接收器误读逻辑电平。正确的终止可以防止反射,从而提高数据完整性。

当电压首次施加到 RS-485 线路时,​​电流会流过该线路(即使线路开路)。到达线路末端后不久,电流稳定到由线路中的串联电阻、施加的电压和终止确定的最终值。如果初始电流和最终电流变化,线路会在电流稳定时看到反射电压,从而可能导致数据完整性问题。

如果数据速率低或电缆短,则可能不需要端接。在大多数情况下,随着数据速率和/或电缆长度的增加,端接变得强制性。

如何端接 RS-485 线路

使用等于其特性阻抗的值来端接数据电缆可以减少反射,并使您的 RS-485 网络更加可靠。由于总线上的任何设备都可以在任何给定时间进行传输,因此总线中间的节点很可能会进行传输,从而需要对段的两端应用终止。

要正确端接长线路,首先需要知道线路的特性阻抗。您通常可以从电缆制造商处获取此信息。(还有更复杂的方法可以解决这个问题,这里不再介绍。)

在线路上添加终端时,不应使用超过两个电阻,线路的每一端各一个。对于特性阻抗为120Ω的电缆,终端电阻应为120Ω。根据我的经验,我们几乎总是最终使用 120 Ω 电阻器进行端接,因为这就是屏蔽双绞线所需要的。因此,将其中一些保留在旧工具箱中可能是个好主意。

选择正确的终止方式

最流行的端接方法是并行端接,即在物理链路的每一端放置一个电阻。将其放置在线路末端可以消除所有反射,尽管这种方法会导致更高的功耗。电阻终端电阻的值通常为 120 至 130 Ω。虽然双绞线电缆阻抗可低至 100 Ω,但对于 RS-485 驱动器来说 100 Ω 终端电阻太低,因为两个并联产生 50 Ω,而 RS-485 驱动器的额定负载不低于 54 Ω。

将与电缆阻抗匹配的终端电阻放置在方便的位置,尽可能靠近 RS-485 线路的末端。连接到 RS-485 线路的节点可能内置有终端电阻作为可配置设置,因此在向任何线路添加终端电阻时请进行检查。

一般来说,对于所有长线 RS-485 连接来说,端接是一个好主意。但如果某些短线具有快速上升时间,那么它们也可以从实施端接中受益。

既然您是正式的 RS-485 终结者,我们如何解决偏差问题?

偏置 RS-485 连接

RS-485 是一种多点通信规范,其中所有节点共享公共两线连接(加上一根用于信号公共端的附加线)。这导致线上数据冲突的机会很多。在 RS-485 网络上,一次只允许一台设备进行通信;否则可能会发生数据冲突。

在主/从协议中,这不太重要,因为主设备通常会发起请求,然后从设备会在那时做出响应。然而,在主设备或从设备不进行传输期间,线路处于所谓的三态模式。每个收发器支持三种不同的状态:打开、关闭(传输)或禁用(三态,不传输)。一次只有一个收发器可以控制链路的开启或关闭状态。所有其他设备在不传输时必须处于三态模式。

当线路在三态模式下浮动时,线路上的噪声可能会错误地触发接收器。为了确保当所有发射器关闭时 RS-485 线路处于定义的状态,我们可以在线路上使用故障安全偏置。

偏置的目的是确保在没有设备传输时 RS-485 线路保持在已知的、非波动的状态。 偏置整个网络需要一对电阻:添加一个连接到+V信号线的+5V上拉电阻,以及连接到-V信号线的接地下拉电阻。

Modbus总线中为什么要加终端电阻,作用是什么?插图3

将偏置电阻器与终端电阻器结合使用可创建分压器。如果节点与网络断开连接或网络线路中断,内部故障安全电路会将输入保持在逻辑1。

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