Op het gebied van industriële besturing en gebouwautomatisering is RS-485-communicatie breed favoriet vanwege de differentiële transmissie, de lange-afstandsmogelijkheden en de uitstekende anti-interferentieprestaties. In de praktijk wordt echter vaak de "lusimpedantie", die de communicatiestabiliteit beïnvloedt, over het hoofd gezien, wat leidt tot af en toe pakketverlies en communicatieonderbrekingen van apparatuur. Het oplossen van dergelijke problemen is zowel tijdrovend als arbeidsintensief.
Dit artikel zal een "levensnabije en gemakkelijk te begrijpen" benadering hanteren om u te helpen een diepgaand begrip te krijgen van wat lusimpedantie is, waarom het zo belangrijk is en hoe u het kunt optimaliseren in ontwerp en debugging, zodat RS-485-communicatie zo soepel kan verlopen als een geasfalteerde snelweg.
Stel u het waterleidingsysteem in uw huis voor: de waterpomp (driver) duwt water naar het waterverbruikspunt (ontvanger), en vervolgens keert het water via een andere buis terug naar de waterpomp, waardoor een cyclus ontstaat.
Factoren zoals de diameter van de buis, ellebogen, vertakkingen en waterdruk hebben allemaal invloed op de soepele doorstroming van water. De "lusimpedantie" in een circuit is vergelijkbaar: het is de uitgebreide manifestatie van de "weerstand" die wordt uitgeoefend op het wisselstroomsignaal in de hele gesloten lus waar het signaal begint vanaf het zendende einde, zich langs het differentiële paar verplaatst, het ontvangende einde bereikt en vervolgens terugkeert naar het zendende einde.
- Weerstand (R): Het is als de wrijvingsweerstand die wordt bepaald door de diameter van de buis.
- Inductie (L): Het is vergelijkbaar met de kleppen en ellebogen in de buis, die een "hysteresis"-effect veroorzaken wanneer het signaal verandert.
- Capaciteit (C): Het kan worden vergeleken met een watertank of een wateropslagtank, die energie opslaat en onmiddellijk vrijgeeft, wat fluctuaties beïnvloedt.
In het RS-485-systeem bepaalt de totale "lusimpedantie" onder de gecombineerde werking van deze drie factoren direct de kwaliteit en betrouwbaarheid van het signaal.
RS-485-communicatiekabels gebruiken meestal 120 Ω afgeschermde twisted pairs, net als het kiezen van een waterleiding met een constante binnendiameter om het minimale verlies van waterstroom (elektrisch signaal) te garanderen.
Een 120 Ω weerstand wordt parallel aangesloten aan elk uiteinde van de lijn om de signaalenergie te "absorberen" en "echo" te voorkomen - net als het installeren van een geluiddempende klep aan het einde van de buis om waterslag te voorkomen.
Wanneer meerdere apparaten parallel op de bus zijn aangesloten, komt dit overeen met het aansluiten van meerdere vertakkingen op de pijpleiding. De totale impedantie neemt af en het signaal kan gemakkelijker worden "afgeleid", wat ertoe kan leiden dat het ontvangende einde geen voldoende niveau ontvangt.
Elke connector, elke TVS-diode of elk beschermingsapparaat voegt een kleine discontinuïteit toe, net als de verbinding aan de buisinterface niet goed is afgedicht, wat lokale lekkage of blokkering veroorzaakt.
Hoewel RS-485 differentiële communicatie is, vormt de aarddraad nog steeds een lus, die "ongewenst" is voor common-mode interferentie. Het potentiaalverschil tussen de aarde van verschillende apparaten is als het waterniveauverschil tussen verschillende watertorens in een watervoorzieningssysteem, wat problemen veroorzaakt zoals "terugstroom" of "kruisstroom".
Impedantie-mismatch zorgt ervoor dat het signaal "terugkaatst" als het raken van een reflecterende muur, wat resulteert in golfvormvervorming, ringing en overshoot. Uiteindelijk kan de ontvanger niet onderscheiden of het "1" of "0" is.
Instabiele impedantie staat gelijk aan verhoogde waterlekkage in de buis. Bij transmissie over lange afstanden of met hoge snelheden is het verlies ernstiger en kan het signaal "uitgeput" raken voordat het de bestemming bereikt.
Discontinue impedantie is als een gat in de buis, die gemakkelijker kan worden "geïnfiltreerd" door externe elektromagnetische interferentie, waardoor de bitfoutfrequentie toeneemt.
De driver zal een grotere stroom uitvoeren om de signaalverzwakking te compenseren, net als een waterpomp die lange tijd met een groot debiet draait, sneller slijt, wat leidt tot warmteontwikkeling, stroomverbruik en levensrisico's.
Kernprincipe: Behoud impedantiecontinuïteit, waardoor deze zo vlak, constant in breedte en met weinig vertakkingen is als een geasfalteerde weg.
Gebruik afgeschermde twisted pairs met een nominale waarde van 120 Ω.
De afschermlaag moet betrouwbaar worden geaard: of u één uiteinde of beide uiteinden aardt, moet worden afgewogen op basis van de werkelijke interferentieomgeving.
Het differentiële paar moet worden geleid met gelijke lengte en gelijke afstand om ongelijke impedantie te voorkomen die wordt veroorzaakt doordat één zijde te lang is.
Differentiële sporen op de PCB mogen de grondvlakverdeling niet kruisen en moeten zoveel mogelijk op dezelfde laag worden gelegd of een symmetrisch grondvlak gebruiken.
Sluit een 120 Ω terminatieweerstand parallel aan elk uiteinde van de bus aan.
Als het nodig is om common-mode ruis te onderdrukken, kan "gesplitste terminatie" worden gebruikt: sluit twee 60 Ω weerstanden in serie aan en sluit een kleine condensator parallel aan het middelpunt naar de aarde, wat overeenkomt met het toevoegen van een "geluiddemper" aan het signaalpad.
Houd de ontvangeruitgang op een stabiel bekend niveau (meestal logisch "1") wanneer de bus inactief is.
Een pull-up weerstand kan worden toegevoegd om de differentiële lijn A omhoog te trekken en een pull-down weerstand om de differentiële lijn B omlaag te trekken om signaalzweven te voorkomen wanneer de lijn is verbroken of niemand zendt.
Geef prioriteit aan het gebruik van "lineaire topologie" (rechte lijn) en installeer terminatieweerstanden alleen aan de fysieke uiteinden.
Vermijd ster-, ring- of te veel lange vertakkingen, net als het vermijden van het willekeurig invoegen van vertakkingen op de hoofdweg om files te voorkomen.
Hoe sneller (steiler) de signaalrand, hoe ernstiger de reflectie. Voor transmissie over lange afstanden kan een slope-limited transceiver worden gebruikt of kan de baudrate op passende wijze worden verlaagd om de "voertuigsnelheid" af te stemmen op de "wegcondities".
Gebruik een differentiële probe om de spanningsgolfvorm van de A/B-lijn te observeren en te controleren op ringing, overshoot of demping. Vergelijk de baudrate met de theoretische signaalgolfvorm om te bepalen of slope limiting of snelheidsaanpassing nodig is.
Koppel de vertakkingen sectie voor sectie los, observeer de golfvormveranderingen en lokaliseer de positie van impedantiediscontinuïteit of common-mode problemen.
Probeer de kabel, terminatieweerstand te vervangen of een common-mode smoorspoel toe te voegen in het verdachte gebied om het effect van de verandering te zien. Optimaliseer de aardingslay-out om de aardlusinterferentie veroorzaakt door multi-point aarding te verminderen.
Configureer TVS-buizen en common-mode smoorspoelen redelijk om externe pieken te weerstaan zonder overmatige signaalabsorptie.
Zorg ervoor dat de parasitaire parameters (capaciteit, inductie) van de beschermingscomponenten een controleerbare impact hebben op de totale impedantie.
- Slechts één uiteinde van de terminatieweerstand is geïnstalleerd, wat resulteert in ernstige reflectie aan het andere uiteinde.
- De positie van de terminatieweerstand is onjuist en deze is niet aan het fysieke einde geplaatst.
- Er zijn te veel of te lange vertakkingen en het signaal kaatst herhaaldelijk terug bij de vertakkingen.
- Blindelings kiezen van niet-120 Ω kabels, die een groot matchverschil hebben met de ontvanger.
- Het negeren van het potentiaalverschil tussen de aarde van apparaten, wat resulteert in overmatige common-mode spanning.
- Volledig vertrouwen op de interne Fail-Safe van de transceiver zonder externe bias, wat leidt tot frequente misvattingen wanneer de lijn is verbroken.
