本文介紹了RS-485網絡的正確接線方法，并提出了雙絞線布線和正確定位終端電阻的建議。顯示了正確和不正確的電纜端接示例的接收波形。圖中顯示了通過多個收發器到多分支電路的簡單單發射器/多接收器網絡的配置。

本應用筆記提供了RS-485網絡布線的基本指南。RS-485規范（正式名稱為TIA/EIA-485-A）沒有具體說明RS-485網絡應如何布線。盡管如此，該規范確實提供了一些指導方針。這些準則和健全的工程實踐是本說明的基礎。然而，這里的建議絕不包括可以設計網絡的所有不同方式。

RS-485在多個位置之間傳輸數字信息。數據速率可以高達，有時甚至大于10Mbps。 RS-485設計用于在很長的長度上傳輸此信息，1000米完全在其能力范圍內。RS-485可以成功使用的距離和數據速率在很大程度上取決于系統的接線。

線

RS-485被設計為一個平衡系統。簡而言之，這意味著除了接地之外，還有兩根電線用于傳輸信號。

圖1.平衡系統使用兩根線（而不是接地）來傳輸數據。

該系統稱為平衡系統，因為理想情況下，一根導線上的信號與第二根導線上的信號完全相反。換句話說，如果一根導線傳輸高電平，另一根導線將傳輸低電平，反之亦然。參見圖2。

圖2.平衡系統的兩根導線上的信號理想情況下相反。

雖然RS-485可以使用多種類型的介質成功傳輸，但它應與通常稱為“雙絞線”的布線一起使用。

什么是雙絞線，為什么要使用它？

顧名思義，雙絞線只是一對等長并絞合在一起的電線。使用符合RS-485標準的雙絞線發送器可減少高速長距離網絡設計人員面臨的兩個主要問題來源：輻射EMI和接收EMI。

輻射電磁干擾

如圖3所示，只要使用快速邊沿傳輸信息，就會出現高頻分量。在RS-485能夠傳輸的較高數據速率下，這些快速邊沿是必要的。

圖3.125kHz方波的波形及其FFT圖。

這些快速邊沿的高頻分量與長導線耦合會產生EMI。與雙絞線一起使用的平衡系統通過使系統成為低效的散熱器來減少這種影響。它的工作原理非常簡單：由于導線上的信號相等但相反，因此來自每根導線上的輻射信號也趨于相等但相反。這具有相互抵消的效果，這意味著沒有凈輻射EMI。但是，此結果基于以下假設：導線的長度完全相同且位置完全相同。由于不可能在同一位置同時放置兩根電線，因此電線應盡可能靠近彼此放置。扭曲導線，使兩根導線之間的距離有限，有助于抵消任何剩余的EMI。

接收電磁干擾

接收EMI與輻射EMI基本相同，但相反。RS-485系統中使用的布線也將充當接收不需要的信號的天線。這些不需要的信號可能會扭曲所需的信號，如果足夠糟糕，可能會導致數據錯誤。與雙絞線有助于防止輻射EMI的原因相同，它也有助于減少接收EMI的影響。由于兩根導線靠近并扭曲在一起，因此在一根導線上接收到的噪聲往往與在第二根導線上接收到的噪聲相同。這種類型的噪聲稱為“共模噪聲”。由于RS-485接收器設計用于查找彼此相反的信號，因此它們可以輕松抑制兩者共有的噪聲。

雙絞線的特性阻抗

根據電纜的幾何形狀和絕緣中使用的材料，雙絞線將具有與之相關的“特性阻抗”，通常由其制造商指定。RS-485規范建議（但沒有明確規定）該特性阻抗為120Ω。推薦此阻抗對于計算RS-485規范中給出的最壞情況負載和共模電壓范圍是必要的。為了靈活性，規范可能沒有規定這種阻抗。如果由于某種原因無法使用120Ω電纜，建議重新計算最壞情況負載（可以使用的發射器和接收器的數量）和最壞情況共模電壓范圍，以確保設計中的系統能夠正常工作。行業標準出版物 TSB89，TIA-EIA-485-A 應用指南1 中有一節專門用于這些計算。

每個發射器的雙絞線數量

既然了解了所需的電線類型，人們可以問，發射器可以驅動多少雙絞線？簡短的回答是：正好一個。盡管在某些情況下，發射器可以驅動多條雙絞線，但這不是規范的意圖。

端接電阻器

由于涉及的高頻和距離，必須適當注意傳輸線效應。然而，對傳輸線效應和適當的端接技術的全面討論遠遠超出了本應用筆記的范圍。考慮到這一點，將以最簡單的形式簡要討論與RS-485相關的端接。

終端電阻只是放置在電纜最末端的電阻器（圖 4）。理想情況下，終端電阻的值與電纜的特性阻抗相同。

圖4.端接電阻應與雙絞線的特性阻抗值相同，并應放置在電纜的遠端。

當端接電阻與接線的特性阻抗值不同時，當信號沿著電纜傳播時會發生反射。此過程由公式 （Rt - Zo）/（Zo + Rt） 控制，其中 Zo 是電纜的阻抗，Rt 是終端電阻的值。盡管由于電纜和電阻的容差，一些反射是不可避免的，但足夠大的不匹配可能會導致反射大到足以導致數據錯誤。參見圖 5。

圖5.使用頂部所示電路，左邊的波形由MAX3485驅動端接120Ω的54Ω雙絞線電纜獲得。右邊的波形是在電纜端接120Ω時獲得的。

了解反射后，終止電阻和特性阻抗盡可能匹配非常重要。終端電阻的位置也非常重要。端接電阻應始終放置在電纜的遠端。

此外，作為一般規則，端接電阻應放置在電纜的兩端。盡管正確端接兩端對于大多數系統設計來說絕對至關重要，但可以說，在一種特殊情況下，只需要一個端接電阻。當系統中只有一個發射器并且該單個發射器位于電纜的遠端時，就會發生這種情況。在這種情況下，無需在與變送器的電纜末端放置終端電阻，因為信號旨在始終遠離電纜的這一端。

網絡上發射器和接收器的最大數量

最簡單的RS-485網絡由單個發射器和單個接收器組成。雖然RS-485在許多應用中都很有用，但RS-<>允許在一對雙絞線上安裝多個接收器和發射器，從而實現更大的靈活性。 允許的最大收發器和接收器數量取決于每個器件在系統中的負載量。在理想情況下，所有接收器和非活動發射器都將具有無限阻抗，并且不會以任何方式使系統過載。然而，在現實世界中，情況并非如此。連接到網絡的每個接收器和所有不活動的發射器都會增加增量負載。

為了幫助RS-485網絡的設計者確定可以向網絡添加多少個設備，創建了一個稱為“單位負載”的假設單元。連接到RS-485網絡的所有設備都應根據單位負載的倍數或分數進行表征。MAX3485的額定負載為1單位負載，MAX487的額定負載為1/4單位負載。假設一根雙絞線正確端接的電纜具有 120Ω 或更高的特性阻抗，則允許的最大單位負載數為 32。使用上面給出的示例，這意味著單個網絡上可以放置多達32個MAX3485或128個MAX487。

故障安全偏置電阻器

當輸入在-200mV至+200mV之間時，接收器輸出為“未定義”。有四種常見的故障情況會導致接收器輸出未定義，從而導致數據錯誤：

系統中的所有發射器都處于關機狀態。

接收器未連接到電纜。

電纜有一個開口。

電纜短路。

故障安全偏置用于在發生這些條件之一時將接收器的輸出保持在定義的狀態。故障安全偏置由同相線路上的上拉電阻和反相線路上的下拉電阻組成。通過適當的偏置，當任何一個故障條件發生時，接收器將輸出有效的高電平。這些故障安全偏置電阻應放置在傳輸線的接收器端。

Maxim的MAX13080和MAX3535系列收發器不需要故障安全偏置電阻，因為器件中集成了真正的故障安全特性。在真正的故障安全模式下，接收器閾值范圍為-50mV至-200mV，因此無需故障安全偏置電阻，同時完全符合RS-485標準。這些器件確保接收器輸入端的 0V 產生邏輯“高”輸出。此外，這種設計保證了開路和短路條件下已知的接收器輸出狀態。

正確網絡的示例

鑒于上述信息，我們準備設計一些RS-485網絡。以下是一些示例。

一個發射器，一個接收器

最簡單的網絡是一個發射器和一個接收器（圖 6）。在本例中，終端電阻顯示在電纜的發射器端。雖然這里沒有必要，但設計兩個端接電阻可能是一個好習慣。這允許將發射器移動到遠端以外的位置，并允許在必要時將其他發射器添加到網絡中。

圖6.一個發射器、一個接收器的RS-485網絡。

一個發射器，多個接收器

圖7顯示了一個單發射器多接收器網絡。在這里，保持雙絞線到接收器的距離盡可能短是很重要的。

圖7.單發射器、多接收器RS-485網絡。

兩個收發器

圖8所示為雙收發器網絡。

圖8.雙收發器 RS-485 網絡。

多個收發器

圖9所示為多收發器網絡。與圖7中的單發射器和多接收器示例一樣，保持雙絞線到接收器的距離盡可能短非常重要。

圖9.多收發器 RS-485 網絡。

不當網絡示例

下圖是配置不正確的系統的示例。每個示例都顯示了從設計不當的網絡獲得的波形，并比較了來自設計正確的系統的波形。波形在 A 點和 B 點 （a-b） 處以差分方式測量。

未終止的網絡

在此示例中，雙絞線的末端未端接。當信號沿著電線傳播時，它會在電纜末端遇到開路。這構成了阻抗失配，從而產生反射。在開路的情況下（如下圖所示），所有的能量都會反射回源，導致波形變得非常失真。

圖 10.未端接的RS-485網絡（頂部）及其產生的波形（左）與從正確端接的網絡獲得的波形（右）的比較。

錯誤的終止位置

圖11顯示了一個終端電阻，但它位于電纜遠端以外的位置。當信號沿著電纜傳播時，它會遇到兩個阻抗不匹配。第一個發生在端接電阻處。即使電阻與電纜的特性阻抗匹配，電阻器之后仍然有電纜。這種額外的電纜會導致不匹配，從而導致反射。第二個不匹配是在未端接電纜的末端，導致進一步的反射。

圖 11.RS-485網絡，其終端電阻放置在錯誤的位置（上）及其產生的波形（左），與正確端接的網絡（右）的比較。

多根電纜

圖 12 中的布局存在多個問題。RS-485驅動器設計為僅驅動一根正確端接的雙絞線。在這里，發射器各自并聯驅動四對雙絞線。這意味著無法保證所需的最低邏輯電平。除了重負載外，在連接多根電纜的點還存在阻抗不匹配。阻抗失配再次意味著反射，因此意味著信號失真。

圖 12.錯誤地使用多根雙絞線的 RS-485 網絡。

長存根

在圖13中，電纜端接正確，發射器僅驅動一對雙絞線。但是，接收器的連接點（短截線）過長。長短截線會導致明顯的阻抗失配，從而導致反射。所有存根應盡可能短。

圖 13.RS-485網絡具有10英尺短截線（上）及其產生的波形（左），與短短截線（右）獲得的波形相比。

審核編輯：郭婷