1. 为什么需求平衡传输线规范
本文的要点在于工业最广泛运用的平衡传输线规范：ANSI/TIA/EIA-485-A(以下简称485)。在回忆一些485规范的要害方面后，经过一个工厂自动化比方，介绍实践项目中怎么施行差分传输结构。
远间隔、高噪声环境下，核算机组件和外设之间的数据传输一般是困难的，假如有或许的话，尽量运用单端驱动器和接纳器。关于这种需求远间隔通讯的体系，引荐运用平衡数字电压接口。
485是一个平衡(差分)数字传输线接口，是为了改进TIA/EIA-232(以下简称232)的局限性而开发出来的。485具有以下特性：
通讯速率高 – 可到达50M bits/s
通讯间隔远 – 可到达1200米(注：100Kbps状况下)
差分传输 – 较小的噪声辐射
多驱动器和接纳器
在实践运用中，假如两个或更多核算机之间需求价格低廉、衔接牢靠的数据通讯，都能够运用485驱动器、接纳器或收发器。一个典型的比方是出售终端机和中心核算机之间运用485传输信息。运用双绞线传输平衡信号具有较低的噪声耦合，加上485具有很宽的共模电压规模，所以485答应高达50M bit/s的速率通讯，或许在低速状况下具有数千米通讯间隔。
由于485用处广泛，越来越多的规范委员会将485规范作为它们通讯规范的物理层规范。包括ANSI的SCSI(小型核算机体系接口)、Profibus规范、DIN丈量总线以及我国的的多功用电能表通讯协议规范DL/T645。
平衡传输线规范485于1983年开发，用于主机与外设之间的数据、时钟或操控线的数据传输接口。规范仅规矩了电气层，其它的像协议、时序、串行或并行数据以及链接器悉数由规划者或更高层协议界说。
开端，485规范被界说为是对TIA/EIA-422规范(以下简称422)的灵活性方面晋级。鉴于422仅是单工通讯(注：422运用两对差分通讯线，发送运用一对，接纳运用一对，所以数据在一条线上是单向传输的)，485答应在一对信号线上有多个驱动器和接纳器，有利于半双工通讯(见图1)。和422相同，485没有规矩最大电缆长度，可是在运用24-AWG电缆、100kbps条件下，能够传输1.2km;485相同没有约束最大信号速率，而是由上升沿时刻和位时刻的比率约束，这和232类似。在大多数状况下，由于传输线效应和外界噪声影响，电缆长度比驱动器更能约束信号速率。
2.体系规划注意事项
2.1线负载
在485规范中，线负载要考虑线路终端和传输线上的负载。是否对传输线终端匹配取决于体系规划，也受传输线长度和信号速率的影响(一般状况下，低速短间隔能够不进行终端匹配)。
2.1.1传输线终端匹配
能够将传输线划分为两种模型：分布式参数模型[1]和集总参数模型[2]。测验传输线归于哪种模型取决于信号的渡越(上升/下降)时刻tt与驱动器输出到线缆结尾的传达时刻tpd。
假如2tpd≥tt/5，则传输线有必要依照分布式参数模型处理，而且有必要处理好传输线终端匹配;其它状况下，传输线看作节点参数模型，这时传输线终端匹配不是有必要的。
注1：分布式参数模型 – 电路中的电压和电流是时刻的函数而且与器材的几许尺度和空间方位有关。
注2：集总参数模型 – 电路中恣意两个端点间的电压和流入任一器材端点的电流完全确认，与器材的几许尺度和空间方位无关。
2.1.2单位负载概念
挂接在同一485通讯总线上的驱动器和接纳器，其最大数量取决于它们的负载特性。驱动器和接纳器的负载都是相对单位负载而衡量的。485规范规矩一根传输总线上最多能够挂接32个单位负载。
单位负载界说为：在12V共模电压环境中，答应经过稳态负载1mA电流，或许是在-7V共模电压环境中，答应经过稳态负载0.8mA电流。单位负载或许由驱动器、接纳器和失效维护电阻组成，但不包括AC终端匹配电阻。
图2给出了SN75LBC176A收发器单位负载核算的比方。由于这款设备将驱动器和接纳器集成到一同构成了收发器(即驱动器输出和接纳器输入衔接到了同一根总线上)，因而很难别离获取驱动器走漏电流和接纳器输入电流。为了便于核算，将接纳器输入阻抗看作12 k并给收发器1mA电流。这能够代表一个单位负载，一跟传输总线上答应32个这样的负载。
只需接纳器的输入阻抗大于12k，那么能够在一根传输总线上运用多于32个这样的收发器。
图2：单位负载概念
2.2信号衰减和失真
一个有用的常识是：在最大信号速率(单位：Hz)通讯的条件下，答应信号衰减-6dB。一般状况下，电缆供给商会供给信号衰减图表。图3所示的曲线显现了24-AWG电缆衰减和频率的联系。
图3：信号衰减
确认随机噪声、颤动、失真等对信号影响程度的最简略办法是运用眼图。图4显现运用20AWG双绞线电缆500米处、不同信号速率下，接纳端的信号失真状况。当信号速率进一步添加，颤动的影响变得愈加明显。在1Mbit/s时，颤动大约为5%，而在3.5Mbit/s时，信号开端完全被吞没，传输质量严峻降级。在实践体系中，可答应的最大颤动一般要小于5%。
图4：485信号失真 VS 信号速率
2.3毛病维护和失效维护
2.3.1毛病维护
和其它任何体系规划相同，有必要习惯性的考虑毛病应对办法，不管这些毛病是天然发生仍是因环境诱导发生。关于工厂操控体系，一般要求对极点噪声电压进行防护。485供给的差分传输机制，特别是宽共模电压规模，使得485对噪声具有必定的免疫力。但面临杂乱恶劣环境时，其免疫力或许缺乏。有几种办法能够供给维护，最有用的办法是经过电流阻隔，后面会评论这个办法。电流阻隔能够供给更好的体系级维护，可是价格也更高。更盛行而且比较廉价的计划是运用二极管维护。运用二极管办法替代电流阻隔是一种折衷办法，在更低层次上供给维护。外接二极管和内部集成瞬态维护二极管的比方如下图所示：
图5所示485收发器SN75LBC176外接二极管来避免瞬态毛刺。
图5：噪声环境中的输入维护
RT一般是终端匹配电阻，等于电缆特性阻抗R0。
图6所示内部集成瞬态按捺二极管的485收发器SN75LBC184，用于既期望运用完好485功用，PCB空间又受限的场合。SN75LBC184在内部集成了维护二极管，针对高能量电气噪声环境，可直接替换SN75LBC176。
图6：集成瞬态电压维护，用于噪声环境
2.3.2失效维护
许多485运用也要求供给失效维护，失效维护关于运用层是很有用的，需求细心考虑并充沛了解。
在任何多个驱动器/接纳器共用同一总线的接口体系中，驱动器大多数时刻处于非活动状况，这个状况被称为总线闲暇状况。当驱动器处于闲暇状况时，驱动器输出高阻态。当总线闲暇时，沿线电压处于浮空状况(也就是说，不确认是高电平仍是低电平)。这或许会构成接纳器被过错地触发为高电平或低电平(取决于环境噪声和线路浮空前最终一次电平极性)。明显，这种状况是不受欢迎的。在接纳器前面需求有相关电路，将这种不确认状况变成已知的、预先约定好的电平，这称之为失效维护。此外，失效维护还要能避免因短路而引起的数据过错。
有许多办法能够完结失效维护，包括添加硬件电路和运用软件协议。虽然软件协议完结起来比较杂乱，但这是优先引荐的办法。可是由于大多数体系规划师、硬件规划师更喜爱运用硬件完结失效维护，添加硬件电路完结失效维护更经常被运用。
不管呈现短路仍是开路状况，失效维护电路有必要为接纳器供给清晰的输入电压。假如通讯线所在环境十分恶劣，则线路终端匹配也是有必要的。
现在许多厂商开端将一些失效维护电路(如开路失效维护)集成到芯片内部。一般这些额定的电路只是在接纳器同相输入端添加一个大阻值上拉电阻、在接纳器反相端添加一个大阻值下拉电阻。这两个电阻一般在100KΩ左右，这些电阻和终端匹配电阻构成一个潜在的驱动器，仅能供给几个mV的差分电压。因而，这个电压(接纳器临界电压)并缺乏以切换接纳器状况。运用这样的内部上下拉电阻答应总线不进行终端匹配，可是会明显的下降最大信号速率和牢靠性。
图7给出了一些485接口通用外置失效维护电路，每个电路都极力保持接纳器输入端电压不小于最小临界值并在一个或多个毛病条件(开路、闲暇、短路)下，保持一个已知的逻辑状况。在这些电路中，R2代表传输线阻抗匹配电阻，并成为电压驱动器的一部分：发生稳态偏置电压。这儿假定每个接纳器代表1个单位负载。
图7右半部分的表格中列出了一些典型电阻和电容值、供给的失效维护类型、运用的单位负载个数和信号失真。鄙人一节中，会经过对短路失效电路中的电阻值核算，来阐明怎么修正这些电阻值以便适用于特定规划。
图7：外部485失效维护电路
要完结短路维护，需求更多的电阻。当电缆短路时，传输线阻抗变为零，终端匹配电阻也背短路。在接纳器输入端串联额定的电阻能够完结短路失效维护。
图8所示的额定电阻R3仅能用于驱动器和接纳器别离的场合。现在的绝大部分485驱动器和接纳器都集成到一个芯片上(称之为收发器)，而且在内部衔接到同一个总线上，这种收发器不能够运用短路失效维护。假如需求进行短路维护，能够挑选内部集成短路维护的收发器或许运用驱动器和接纳器别离的器材，比方SN75ALS180。假如在收发器运用短路失效维护电路，则电阻R3会引起输出信号额定的失真。驱动器和接纳器别离的器材SN75ALS180不会有这个问题，由于驱动器是直接连到总线上的，旁路掉了R3。
图8：短路/开路失效维护电路
下面临电阻值经行核算。假如传输线短路，R2从电路中移除，则接纳器输入端电压为：
VID= VCC * 2R3 / (2R1 + 2R3)
关于485运用，规范规矩接纳器可辨认最低至200mV的输入信号。因而当VID> VIT或许VID > 200mV，能够确认一个已知状况。这是第一个规划约束条件：
VCC* 2R3 / (2R1 + 2R3) > 200mV
当传输线上为高阻态时，接纳器遭到R1、R2和R3的影响，其输入电压为：
VID= VCC* (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3)
得到第二个规划约束条件：
VCC * (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3) > 200mV
传输线会受终端匹配电阻R2与两倍的(R1+R3)并联影响。传输线的特性阻抗Zo与之相匹配，这得到第三个规划约束条件：
Zo= 2R2 * (R1 + R3) / (2R1 + R2 +2R3)
其它规划约束条件包括由失效维护电路供给的额定线负载、由R3和R1引起的信号失真以及接纳器输入电阻。
注：SN75HVD10等3.3V 485收发器以及更新产品内部集成了短路/开路失效维护电路。
2.4电流阻隔
核算机和工业串行接口往往处于噪声环境中，或许会影响数据传输的完好性。关于任何接口电路，经过测验的能够改进噪声功用的办法是电流阻隔。
在数据通讯体系中，阻隔是指多个驱动器和接纳器之间没有直接电流流转。阻隔变压器为体系供给电源，光耦或数字阻隔器材供给数据阻隔。电流阻隔能够去除地环流，按捺噪声电压。因而，运用这种技能能够按捺共模噪声，下降其它辐射噪声。
举一个比方，图9显现了进程操控体系的一个节点，经过485链路衔接数据记录器和主核算机。
当接近的电动机启动时，数据记录器和核算机的地电势会呈现瞬间不同，这一般会引起一个大电流。假如数据通讯没有选用阻隔计划，数据或许会丢掉，更坏的状况下会危害核算机。
2.4.1电路描绘
图9所示的原理图是分布式监督、操控和办理体系的一个节点，这种计划一般用于进程操控。数据经过一对双绞线传输，地线运用屏蔽层。这类运用常常需求低功耗，由于许多长途分站运用电池或许要求有备用电池(%&&&&&%停电后，需求设备能运用备用电池作业必定时刻)。此外，运用低功耗计数，能够运用小型阻隔变压器。如图9所示，收发器运用SN65HVD10，当然任何TI公司3.3V或5V RS485收发器、3.3-V TIA/EIA-644 LVDS或许3.3-V TIA/EIA-899 M-LVDS收发器都能够运用这个电路。
2.4.2操作原理
图9所示的比方可用于3.3V或5V，电源运用变压器阻隔，数据信号选用数字阻隔器阻隔。由于485收发器需求阻隔电源，可调LDO稳压器有必要被阻隔。能够运用与非门振荡电路驱动阻隔变压器完结这一功用。变压器的输出电压经过调整、滤波后，供低压差线性稳压器运用。在高EMI环境中，这种办法常用于防备其它远间隔供电子体系的噪声耦合到主电源。TPS7101用于给其它电子元件供电，最多供给500mA电流。经过调理偏置电阻R7，TPS7101可输出3.3V或5V，详细阻值见BOM清单。
数据信号阻隔又三通道数字阻隔器ISO7231M完结。该设备能够经过150Mbps信号速率，供给2.5KV(rms)电压阻隔和50KV/us瞬间放电维护。
图9：3.3V或5V阻隔485节点(左面是大地地平面，右边是阻隔地平面)
表1：3.3V或5V阻隔485节点BOM清单
3.进程操控规划举例
为了取得更多485体系规划常识，一个比较好的办法是看详细的比方。考虑这样一个体系：体系容量为1个主操控器、数个分站的工厂自动化体系，每个分站都能够发送和接纳数据。
体系特性如下所示，通用规范见图10。
最远分站距主操控器500米
31台分站(加上主机共32台设备)
信号传输速率为500 kbit/s
半双工通讯
图10：进程操控规划举例
遵从485规范的设备以500 kbit/s传输数据，要求驱动器输出渡越(上升/下降)时刻tt不能大于0.3个单位间隔时刻(UI)，所以有：
tt≤ 0.3 * UI
tt≤ 0.3 * (1 /(500 * 103) ) = 600ns
假如电缆传输信号速度等于光在真空中的传达速度，则信号传输延时tpd为3.33ns/m，乘以传输线长度500米，为1667ns。
依据2.1节的公式能够确认传输线是分布式参数模型仍是节点参数模型：若2tpd ≥ tt/5，则以为传输线为分布式参数模型。明显，3334 > 120，所以本例的传输线模型为分布式参数模型。在工业环境中，这种传输线有必要要终端匹配。
关于衰减，虽然信号速率为500 kbit/s的根本频率为250 kHz，咱们依然依照500 kHz来核算衰减，这是由于信号中其实包括更高频的部分。依据最大衰减不要超越-6dB的经历规律，要求500米电缆结尾最大衰减小于-6dB，即0.36dB/30米。咱们查看图3所示的图表，这是电缆厂商供给的衰减与频率联系的图表，500 kHz频率对应的衰减为0.5dB/30米还要多一些，超越规划约束条件0.14dB/30米。在本例中这是答应的，由于略微削减保存规矩供给的噪声容限是能够承受的。
