RS422／RS485总线模型分析与应用

　　0 引言

　　RS422／RS485总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。RS422／RS485标准只对接口的电气特性做出了规定，而不涉及接插件、电缆或协议，因此，用户可在此基础上建立自己的高层通信协议。

　　1 基本原理

　　RS422／RS485标准的全称为TIA／EIA-422-B和TIA／EIA-485串行通信标准。它们的数据信号均采用差分传输方式，也称作平衡传输。这两者在电气特性上非常接近，不同之处只是传输方式的不同。

　　RS485的典型工作方式如图1所示。RS485典型的驱动器使用一对双绞线，并将其中的一线定义为A，另一线定义为B。两线工作时采用半双工通信方式，其工作状态(发送状态和接收状态)由使能控制信号决定。

　　一般情况下，驱动器的A、B间的正电平电压为+2～+6 V时代表一个逻辑状态；A、B之间的负电平在-6～-2 V时代表另外一个逻辑状态。另外还有一个信号地C。事实上，在很多情况下，都会忽视信号地的连接。这里建议采用经过处理的低阻通路把信号地连接起来，以增加其共模抗干扰能力并减少电磁辐射。“使能”控制信号E用于驱动器与传输线的切断和连接，当ENABLE起作用时，发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。

　　接收器与驱动器的规定相似，其收、发端均可通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。当接收端A、B之间有大于+200 mV的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200 mV时，输出为负逻辑电平。在接收器的接收平衡线上，电平范围通常是在200 mV～6 V之间。

　　一般可定义逻辑1(正逻辑电平)为B>A的状态，逻辑0(负逻辑电平)为A>B的状态，A、B之间的压差不小于200 mV。

　　RS485的四线工作状态和RS422的四线工作状态基本一致，从物理的角度上讲，RS422相当于两个RS485同时工作，一个工作于接收状态，一个工作于发送状态。

　　2 信号分析

　　根据以上说明，这里对RS422／RS485的传输特性建立一个信号分析模型，因为RS485更具有代表性，所以采用RS485作为分析对象。RS485是典型的信号处理标准，其传递函数模型如图2所示。

　　根据图2规范设计定义域时，D可代表微处理器输出的数字信号(TTL电平或者CMOS电平)，其逻辑信号的取值空间为{0，1}；Dr代表微处理器接收的数字信号(TTL电平或者CMOS电平)，其逻辑信号的取值空间为{0，1}；E，EN为使能信号。驱动器和接收器与传输线的连接关系(高电平或者低电平有效控制)存在两种情况：定义ENABLE为连接有效状态，DISABLE为未连接状态，取值空间为{ENABLE，DISABLE}。在RS485通信标准中，一般情况下，E、EN若一个有效则另一个禁止，而RS422则两个均为有效；A，B为驱动器与传输线的接口电压，其规范定义为(-6V，+6V)；Ar，Br为接收器与传输线接口的电压。为了实现RS422／RS485的接口兼容，这里应定义为(-7V，+10V)。实际上，驱动器传递函数定义中有四种可满足RS485通信标准的情况：

　　D=1，E=DISABLE时，输出A，B状态为未定；

　　D=0,E=DISABLE时，输出A，B状态为未定；

　　D=1，E=ENABLE时，输出B-A>2V，且A，B∈(6V，+6V)；

　　D=0，E=ENABLE时，输出A-B>2V，且A，B∈(6V，+6V)。

　　所以，能够实现上面传递函数的所有电路均可作为RS485的驱动器参考设计，当然，还需要满足其输入输出特性。

　　从接收器传递函数的定义可以把接收器分成两类，其一是EN=DIABLE，这相当于驱动器没有挂载在总线上(可以认为不存在)。其二是EN=ENABLE，此时又存在两种正常工作情况，一是输出Dr=1时，Br-Ar>200 mV；二是输出Dr=0时，Ar-Br>200 mV。

　　为了满足接收器正常工作的需要，操作时还需要考虑以下几种情况：

　　(1)Ar、Br的电压范围应该严格限制在-7～10V，否则可能损坏器件。一般采用稳压的二极管网络来实现电压的限制。

　　(2)当|Ar-Br|<200 mV时，接收器数据的判别。一般可采用电阻网络，将Ar通过10 kΩ的电阻接在VCC上，而将Br通过10 kΩ的电阻接在GROUND上，这样，当总线上没有信号传输的时候，即可保持Ar的电平为3.2 V左右，Br的电平大约为1.6 V，这样，即使有干扰信号，也很难产生串行通信的其始信号0。

　　(3)一般情况下，为了减少线路上传输信号的反射，可在RS422总线电缆的远端并接1个100Ω电阻，并应在RS485网络传输线的始端和末端各接1个120 Ω的匹配电阻。

　　3 工程实现

　　根据以上分析，这里给出一个RS422／RS485兼容的实际应用电路，其具体电路如图3所示。

　　图3电路中采用的芯片为MAX491ESD。当用MAX491ESD进行RS422通信时，应把跳线帽安装在JP2的管脚2和管脚1上，JP1和JP3跳线帽去掉；而当其作为RS485通信的时候，则应把跳线帽安装在JP2的管脚2和管脚3上，JP1和JP3加上跳线帽，从而构成两个节点的RS485网络。稳压管D1，D2的作用是把A的电压牢牢限制在-7V～+12V，以有效保护RS422／RS485网络。增加D3和D8的目的主要是为了防止浪涌电压。这个实际电路是以信号分析模型作为指导的依据建立起来的，可以在实际的测试和运行中满足预期要求。

　　4 结束语

　　本文从信号处理的角度分析了RS422／RS485网络的硬件构成，并将其抽象为一个信号处理分析模型，从而给出相应的传递函数和定义域。