利用靈活的 RS-485 收發器減少系統設計時間與成本

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摘要

近二十多年來，RS-485 一直是工業應用中最常用的有線通訊介面。RS-485 的平衡差動訊號可抑制共態雜訊，有助於在吵雜的工業環境中進行長距離通訊。RS-485 是多數工業應用中的通用通訊埠，如工廠自動化、防護繼電器、太陽能轉換器、電表、馬達驅動和建築自動化。

根據終端設備的需求，RS-485 網路的設計必須適用於不同的匯流排供應、邏輯介面供應電壓、網路長度和輸送量。因此，客戶必須選擇、測試並認證市面上提供的多種 RS-485 收發器，才能滿足獨特的應用需求。此外，系統設計人員也為網路中的終端節點和中間節點開發不同的印刷電路板 (PCB)，因為終端節點通常需要用終端電阻器來改善訊號品質。此過程會耗用大量設計頻寬與資源，增加系統設計時間與成本，進而拖延到上市時間。

THVD1424 可讓系統設計人員在任何網路中的任何節點位置 (終端節點和中間節點)、雙線 (半雙工) 或四線 (全雙工)、緩慢或快速使用相同裝置。因此，使用 THVD1424 可以透過軟體設計和配置通用 PCB 以滿足各種應用需求，進而節省大量的開發時間和力氣。

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利用靈活的 RS-485 收發器減少系統設計時間與成本

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1 典型 RS-485 網路與端接需求

圖 1-1和圖 1-2 各自說明了採用半雙工或全雙工配置的典型 RS-485 網路。在這些拓撲中，參與的驅動器、接收器和收發器透過網路殘段連接到主電纜中繼線。殘段是收發器和中繼線纜之間的電氣距離，基本上代表一條非端接匯流排線路。

圖 1-1 全雙工網路

圖 1-2 半雙工網路

全雙工實作需要兩對訊號 (四線)，以及具有發射器和接收器適用之不同匯流排接入線路的全雙工收發器。全雙工網路允許節點同時在一個配對上傳輸資料，同時在另一個配對上接收資料、進而達到高效率的輸送量。在半雙工網路中只使用一個訊號對時，會要求在不同時間驅動和接收資料。此配置降低了網路佈線成本 (與全雙工網路相比)，但代價是輸送量會降低。

市面上大多數 RS-485 收發器皆為半雙工或全雙工，表示裝置採用不同的針腳配置與封裝。這是系統設計人員爲其半雙工和全雙工設計平台選擇不同裝置的第一個問題。

電子訊號藉由銅纜 (實體媒介) 從驅動器傳送到網路上的所有接收器。驅動網路時，驅動器 (TX) 輸出阻抗較低，而接收器 (RX) 輸入阻抗通常爲千歐姆 (kΩ)。如下圖所示，每次訊號遇到阻抗不相符 (例如中間節點的殘段 (在點 A 和 B) 或接收器輸入端子 (在節點 n)) 時，一些訊號會被反射回來，以致干擾到匯流排上的訊號，進而使訊號品質降低。反射係數 (r) 由方程式 1 提供。

方程式 1.

r = (Z t - Z o) / (Z t + Z o)

其中 ZT 是端接阻抗，Zo 是電纜特性阻抗

根據傳輸線路原理，阻抗不相符不連續性必須限於最小化反射。爲此，建議的設計做法是將殘段長度保持在最小值，並終止最遠的節點。如果訊號可以雙向傳送，則網路的兩端都需要正確端接。

圖 1-3 RS-485 網路中的訊號反射現象

匯流排端接是提升訊號品質的有效方法。如圖 1-1 和圖 1-2 所示，通常兩個終端節點都使用終端電阻進行端接，其值與傳輸電纜的特性阻抗相符。在建築自動化 (HVAC、恆溫器等) 等特定應用中，可新增或移除 RS-485 網路的節點來進行重新配置。這會導致系統設計人員遇到第二和第三個問題：終端節點的應用電路板設計必須與中間節點不同，所以技術人員需要手動干預以重新配置網路中的端接處理，因此容易發生人為錯誤，例如纜線極性反相、端接不正確等。