圖1. 測試裝置
系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常從兩個不同廠商選擇驅(qū)動器和接收器,多數(shù)設(shè)計人員最關(guān)注的是RS-485驅(qū)動器的傳輸距離和速度。Maxim驅(qū)動器(這里指MAX3469)與其它制造商的驅(qū)動器性能比較如圖2、圖3所示。
圖2. 在特定比特率、電纜長度下的抖動特性,抖動是在±100mV差分信號下測量的
圖3. 在特定比特率、電纜長度下的抖動指標(biāo),抖動是在0V差分信號下測量的
通過觀察驅(qū)動器的差分輸出信號的完整性,利用示波器確定80mV與-400mV之間的翻轉(zhuǎn)門限(由于接收器具有200mV至-200mV的輸入范圍和噪聲裕量,因此選取這一門限范圍)。然后,當(dāng)脈沖(比特)開始“傳送”時,用眼圖確定失真度、噪聲以及碼間干擾(ISI)。
ISI指標(biāo)限制了比特率,以保證系統(tǒng)能夠在脈沖之間識別出傳輸數(shù)據(jù)。對圖1電路的測試結(jié)果表明翻轉(zhuǎn)門限與眼圖模板之間具有相關(guān)性。該眼圖模板存在50%的抖動,按照National Semiconductor的應(yīng)用筆記#977[3]所介紹的方法進行測量。測量0V差分信號和±100mV差分信號下的抖動,得到圖4和圖5所示數(shù)據(jù)。
圖4. Maxim的MAX3469與其它RS-485驅(qū)動器件的眼圖對比[4]
圖5. MAX3469的眼圖
對于一個點到點通信系統(tǒng),從±100mV差分信號(圖4)或0V差分信號(圖5)下的測試結(jié)果可以看出比特率與電纜長度的關(guān)系。+100mV和-100mV門限能夠正確切換差分信號大于200mV的信號,因此,該門限值可確保接收器正確接收數(shù)據(jù)(圖5數(shù)據(jù)僅適用于可在0V差分輸入下切換的理想接收器)。
眼圖和故障模式
采用340英尺的5類電纜,圖2給出了39Mbps傳輸速率下的驅(qū)動器輸出眼圖,圖中,信號從“眼”的中間穿過 - 這種情況表明可能出現(xiàn)誤碼。然而,在相同數(shù)據(jù)速率下,Maxim公司的器件不會出現(xiàn)這種情況(圖3)。Maxim的收發(fā)器具有對稱的輸出邊沿和較低的輸入電容,性能良好。
采用上述測試對兩款驅(qū)動器進行比較。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高、電纜較長時,Maxim驅(qū)動器的性能更出色。圖5給出點對點網(wǎng)絡(luò)中Maxim器件的傳輸速率和距離的估計值。根據(jù)經(jīng)驗,所產(chǎn)生的誤碼大致符合50%抖動極限的要求。
各方研究數(shù)據(jù)
在工業(yè)領(lǐng)域,通常可接受的傳輸距離和數(shù)據(jù)速率的最大值分別為4000英尺和10Mbps,當(dāng)然這兩個值不能同時滿足。然而,利用最新器件和精細的系統(tǒng)設(shè)計,可在較長的電纜下實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)吞吐率。
預(yù)加重[5]是一種改善數(shù)據(jù)速率與距離間關(guān)系的技術(shù),可用于RS-485通信(圖6)。采用1700英尺電纜,工作在1Mbps固定數(shù)據(jù)速率,沒有預(yù)加重驅(qū)動器或均衡接收器的RS-485收發(fā)器通常具有10%的抖動。在相同速率下,增加驅(qū)動器預(yù)加重可使距離加倍,達到3400英尺,而且不會提高抖動。同樣,距離一定時采用預(yù)加重能提高數(shù)據(jù)速率。速率為400kbps,電纜長度為4000英尺時,無預(yù)加重的驅(qū)動器通常具有10%的抖動。而采用預(yù)加重可使該距離下的傳輸速率提升至800kbps。
圖6. 數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系圖
另一種估算可靠傳輸?shù)淖畲箅娎|長度的方法是：利用5類電纜制造商提供的幅度衰減與頻率的關(guān)系表。根據(jù)通用規(guī)則,電纜工作時最大允許的信號衰減是-6dBV。該數(shù)值結(jié)合廠家提供的衰減數(shù)據(jù),計算出給定頻率下的最大電纜長度。
應(yīng)用技巧
RS-485收發(fā)器具有多種改善系統(tǒng)性能的特性：
預(yù)加重(上文所述)：降低碼間干擾
降低接收器單位負載：低負載器件可低至1/8單位負載,允許總線上掛接最多256個器件。這種器件還可降低總線負載,從而允許較長的電纜和較高的傳輸速率。
高速器件：目前可提供數(shù)據(jù)速率高達52Mbps的驅(qū)動器,這種高速器件須特別注意保持低傳輸延遲和低偏差。
ESD保護：ESD保護不會提高數(shù)據(jù)速率,但會改善系統(tǒng)工作或數(shù)據(jù)速率為0 (開路)時的可靠性。目前能夠提供±15kV的內(nèi)置ESD保護。
正確的接線[6]：RS-485用于差分傳輸,除地線外還需要兩條信號線來傳輸數(shù)據(jù)(通常為24 AWG雙絞線)。這兩條信號線傳送極性相反的信號,大大減少了EMI輻射和EMI干擾問題。電纜的特性阻抗一般為120,這也是電纜末端終端匹配電阻的阻值 ― 目的在于降低反射和其它線路的影響。圖7、圖8給出了正確的系統(tǒng)連接。
圖7. 單發(fā)/單收網(wǎng)絡(luò)
圖8. 多機收發(fā)網(wǎng)絡(luò)
結(jié)論
綜上所述,RS-485網(wǎng)絡(luò)可在噪聲環(huán)境下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計系統(tǒng)時需要對數(shù)據(jù)速率、電纜長度進行折衷考慮,能夠在幾百米長的電纜上實現(xiàn)高于50Mbps的數(shù)據(jù)速率,而不需使用任何中繼器。
