RS-485采用兩線差分平衡傳輸技術(shù)，其最大的優(yōu)勢是可以抑制噪聲。盡管如此，總線信號總會受到兩方面的干擾，一是反射，二是EMC。本期本章針對反射的產(chǎn)生和消除做一些講解，以減少產(chǎn)品在現(xiàn)場出現(xiàn)問題的幾率。同時，對總線接口方面的設(shè)計提出一些建議。
1 正確使用終端電阻消除反射
PROFIBUS電纜的兩端應(yīng)該連接終端電阻。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射。在通信過程中，有兩種原因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)：信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：斷線），信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的，反射是來自總線自身的問題，反射就像回聲一樣，會在線路上引起許多信號的疊加，產(chǎn)生嚴重的信號干擾，尤其是在高速率傳輸時，這種情況更嚴重。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻。一般，終端電阻集成在PROFIBUS-DP總線連接器中，連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從總線連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可看到，DB9頭必須接線第5、6、3、8四個引腳。其中，5腳接地，6腳接總線電源，這兩引腳將提供總線終端器的電源。這是因為引起信號反射的另一個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通信線路處在空閑方式時，整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。在EIA RS-485中規(guī)定的端接電阻 Rt是以下拉電阻 Rd(與數(shù)據(jù)地DGND連接)和上拉電阻Ru（與正電壓VP連接）做補充。當沒有站進行傳輸（即空閑時間）時，這個補充迫使不同的狀態(tài)電壓（即導(dǎo)體間的電壓）趨于一個確定值。
DB9頭的第3腳接B線(紅色)，第8腳接A線(綠色)，這兩條線是差分數(shù)據(jù)傳輸線。
在PROFIBUS插頭上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。當各站點通過插頭以及網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)上時，根據(jù)RS-485串口通信的規(guī)范，每個物理網(wǎng)段支持32個物理設(shè)備，且在物理網(wǎng)段終端的站點應(yīng)該設(shè)置終端電阻保證通信質(zhì)量。而每個PROFIBUS插頭上，都內(nèi)置了終端電阻，需要時可以接入（On）和切除（Off）。當終端電阻設(shè)置為“On”時，表示一個物理網(wǎng)段的終結(jié)，因此連接在出線端口“Out”后面的網(wǎng)段信號也將被中斷。因此，在每個物理網(wǎng)段兩個終端站點上的插頭，需要將網(wǎng)線連接在進線口“In”，同時將終端電阻設(shè)置為“On”，而位于網(wǎng)段中間的站點需要依次將網(wǎng)線連接在進線口“In”和出線口“Out”，同時將終端電阻設(shè)置為“Off”，如圖2所示。
在每個PROFIBUS-DP網(wǎng)段的兩端都必須有終端電阻，但其他地方卻絕不能設(shè)置終端電阻。
需要注意的是，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可能比較復(fù)雜，一個完整的網(wǎng)絡(luò)可能由多個網(wǎng)段組成，網(wǎng)段之間可以使用中繼器或光纖連接模塊連接，但每個網(wǎng)段仍然是總線型結(jié)構(gòu)，在每個網(wǎng)段的兩端都需要加終端電阻。
2 規(guī)范線纜和布線減少反射
正確使用終端電阻可以消除大部分反射故障。但是，引起反射的另一大誘因是線纜的選擇和使用不當，造成阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。PROFIBUS-DP規(guī)定的電纜有A型和B型兩種，如表1所示。
使用其他線纜常常造成阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配的問題，一個最典型的例子就是接頭線的使用。接頭線是從主干電纜(總線線性網(wǎng)絡(luò))上引出來的小分支(分叉)，這樣的電路就是接頭線路。在PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)接線中，對接頭線路的長度有著嚴格的限制，因為接頭線與主干的總線阻抗不連續(xù)，容易引起總線反射。規(guī)范規(guī)定當總線傳輸速率超過1.5 Mb/s時，不允許使用任何接頭線路。為避免使用接頭電路的出現(xiàn)，要盡量使用中繼器來擴展網(wǎng)絡(luò)。在低速率網(wǎng)絡(luò)中，最大允許的接頭電路總長度如表2所示。
因此，在設(shè)計PROFIBUS-DP接口時，必須遵循RS-485總線輸出端到總線接線器間的距離盡可能短的原則，更不要在設(shè)備中使用“飛線”方式來連接總線。對于總線速率超過1.5 Mb/s的應(yīng)用場合，網(wǎng)段最大長度不能超過100 m。同時，建議每兩個站點之間的距離最好不要小于1 m，因為距離太近也會引起信號的反射。
3 總線接口設(shè)計的建議
規(guī)范的總線接口電路設(shè)計和連接是避免反射產(chǎn)生的有效措施。
(1)使用規(guī)范的總線收發(fā)器，建議使用RSM485P一類的一體化隔離收發(fā)器，使用RSM485P的典型電路如圖3所示。
(2)使用規(guī)范的PROFIBUS-DP線纜，非規(guī)范線纜一般與總線連接器中的終端電阻不匹配。
(3)注意總線的短路、斷路問題，接線不規(guī)范容易引起總線短路，而錯誤的設(shè)置總線連接器的終端開關(guān)會造成總線斷路；
(4)分支接頭電路盡量避免，在產(chǎn)品模具設(shè)計和PCB設(shè)計時應(yīng)遵循RS-485總線輸出端到總線接線器間的距離盡可能短的原則；
(5)正確劃分網(wǎng)段，保證各網(wǎng)段中都正確設(shè)置終端電阻；
(6)兩個站點間距離不可太近，建議不要小于1 m；
(7)保證總線電源的穩(wěn)定性，總線電源要求(+5 V±500 mV，≥10 mA)。
PROFIBUS-DP基于RS-485的傳輸技術(shù)應(yīng)當注意總線信號的反射和外界EMC干擾。反射主要是使用總線類型不規(guī)范、過長的接頭線、終端設(shè)置不當?shù)纫鸬淖杩共贿B續(xù)和不匹配造成。合理的設(shè)計總線接口、使用規(guī)范的線纜、正確的設(shè)置終端是消除反射的有效手段。
廣州致遠電子有限公司致力于嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用推廣，自主研發(fā)了一系列PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，包括嵌入式模塊、通信卡、調(diào)試工具、PC軟件、OPC服務(wù)器等，并提供基于PROFIBUS總線的整套組網(wǎng)方案及應(yīng)用集成。