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                详解RS-485上下拉电阻的选择

                1、 为什么需要加上下拉电阻?

                根据RS-485标准,当485总线差分电压大于+200mV时,485收发器输出高电平;当485总线差分电压小于-200mV时,485收发器输出低电平;当485总线上的电压在-200mV~+200mV时,485收发器可能输出高电平也可能输出低电平,但一般总处于一种电平状态,若485收发器的输出低电平,这对于UART通信来说是一个起始位,此时通信会不正常。

                当485总线处于开路(485收发器与总线断开)或者空闲状态(485收发器全部处于接收状态,总线没有收发器进行驱动)时,485总线的差分电压基本为0,此时总线就处于一个不确定的状态。同时由于目前485芯片为了提高总线上的节点数,输入阻抗设计的比较高,例如输入阻抗为1/4单位阻抗或者1/8单位阻抗(单位阻抗为12kΩ,1/4单位阻抗为48kΩ),在管脚悬空时容易受到电磁干扰。

                因此为了防止485总线出现上述情况,通常在485总线上增加上下拉电阻(通常A接上拉电阻,B总线下拉电阻)。若使用隔离RS-485收发??椋ɡ鏡SM485PCHT),由于??槟诓烤哂猩舷吕缱瑁ǘ杂赗SM485PCHT,内部上下拉电阻为24kΩ),因此在??橥獠恳话悴恍枰黾由舷吕缱?。

                2、 什么情况下需要加上下拉电阻?

                当遇到信号反射问题时,通?;嵬ü黾悠ヅ涞缱枥幢苊庑藕欧瓷?,以1对1通信为例,如图 1所示。由于485总线通常使用特性阻抗为120Ω的双绞线,因此在485总线的首尾两端增加120Ω终端电阻来避免信号反射问题。

                图1 两个RSM485PCHT??橥ㄐ诺缏?/p>

                根据RSM485PCHT的具体参数(如表 1)可以得到如图 2所示等效电路,其中RPU、RPD为??槟诓吭?85总线上加的上下拉电阻,RIN为??榈氖淙胱杩?。

                表1 RSM485PCHT参数

                图2 RSM485PCHT通信等效示意图

                当两个??槎即τ诮邮兆刺?,可以根据基尔霍夫电流定律对节点A和节点B列出下列公式


                根据上述公式可以计算AB之间的差分电压为


                此时??橐汛τ诓蝗范ㄗ刺?,??榻邮掌骺赡苁涑鑫叩缙?,也可能输出为低电平,这时就需要在??橥獠吭黾由舷吕缱璞Vつ?樵诳障惺辈淮τ诓蝗范ㄗ刺?。

                3、 上下拉电阻如何???

                假设??榈氖涑龅缭吹缪筕?O相同,由于RGND接在一起,因此可以认为??槟诓康纳侠缱枋遣⒘谝黄鸬?,为了方便解释,对图 2的电路进行整理,如图 3所示,在??橥獠吭黾由舷吕缱杩梢匝≡裰辉黾右蛔?,也可以选择在每个??槎荚黾由舷吕缱?,为了解释方便,我们在485总线上增加一组上下拉电阻。

                图3 RSM485PCHT通信等效电路图

                其中:RPU为??槟诓可侠缱?,RPD为??槟诓康南吕缱?,本例中为24kΩ;

                RIN为??榻邮掌魇淙胱杩?,本例取最小值为120kΩ;

                RT为终端电阻,本例取120Ω;

                RPU_EX为??橥獠克拥纳侠缱?,RPD_EX为??橥獠克拥南吕缱?;

                由于RSM485PCHT的门限电平为-200mV~+200mV,一般留有100mV或200mV的电压裕量,本例留有100mV的电压裕量,根据前面所推导的差分电压公式,可以得到下面计算公式

                由于RSM485PCHT在供电电压范围为4.75V~5.25V,取VO=4.75V(最低输入电压VCC=4.75V情况下),可得:

                由RPU=24kΩ,可得RPU_EX=RPD_EX=461.9Ω,由于计算出的电阻值为最大值,因此可以选择在485总线上仅加一组410Ω或390Ω的上下拉电阻,或者加两组910Ω上下拉电阻。

                4、 如何验证上下拉电阻取值?

                上述计算仅考虑了485总线空闲状态时不处于不确定状态,并没有考虑485收发器的驱动能力和所用元器件的功耗等问题。外部所加上下拉电阻越小,可以将485总线空闲状态差分电压保持的越高,但与此同时,终端电阻和上

                下拉电阻的功耗也越大,对485收发器的驱动能力要求也越高,当超过485收发器的驱动能力时,也会导致通信失败。

                根据RS-485标准,当接收器的输入阻抗为单位阻抗时(最小为12k),总线上最多可以接32个节点,485的差分负载最大为54Ω,此时差分输出电压最小为1.5V。

                图4 485总线连接32个节点等效示意图

                如图4所示,我们可以看到当485总线上接有32个节点时,总线A或B的共模负载为:


                由此可见,对于RS-485的标准来说,A总线或B总线的最大共模负载为375Ω。

                图5 485总线增加终端电阻等效示意图

                当增加终端电阻后,可以发现485总线的共模负载没有发生变化,但差模负载急剧减小,差模负载为

                图6 RSM485PCHT 64个节点等效示意图

                因此当485总线的节点数达到最多以及增加终端电阻后,485总线的差模负载仍大于54Ω,根据RS-485的标准,差分输出电压最小为1.5V。


                以RSM485PCHT为例说明增加上下拉电阻的情况,如图6所示,总线A或B的共模负载为:


                实际测试上述情况,驱动输出的最小差分电压3.02V,这个电压远大于RS-485标准规定的最小差分输出电压1.5V。

                图7 RSM485PCHT 64个节点增加终端电阻示意图

                当在485总线上增加终端电阻时,可以看出总线A或B的共模负载并没有发生变化,而差分阻抗有了较大的变化,此时差模负载为:

                计算出的差模负载要略大于RS-485标准规定的最大负载为54Ω,我们对RSM485PCHT进行实际测试,其输出差分电压1.58V,略大于标准规定的最小电压。

                当差模负载为54Ω(485总线接两个120Ω终端电阻并且上拉电阻(下拉电阻)与收发器内阻的并联值为270Ω)时,RSM485PCHT的差分输出电压为1.52V(实测值),基本和RS-485标准相同。当差模负载为41.54Ω(485总线接两个120Ω终端电阻并且上拉电阻(下拉电阻)与收发器内阻的并联值为135Ω)时,RSM485PCHT的差分输出电压在1.17V左右(实测值),在这种情况下可以通信。

                5、 总结

                (1) 通信线应选用屏蔽双绞线,屏蔽层应单点接大地;

                (2) 当我们没有遇到信号反射问题时,尽量不要使用终端电阻;

                (3) 如果使用终端电阻,我们可以通过上下拉电阻调节485总线在空闲状态的电压值,保证不处于门限电平(-200mV~+200mV或-200mV~-40mV)范围内;

                (4)当我们增加上下拉电阻时,上拉电阻(下拉电阻)与收发器输入阻抗的并联值应大于375Ω;

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