1. 为什么须要平衡传输线标准
本文的重点在于工业最广泛利用的平衡传输线标准：ANSI/TIA/EIA-485-A(以下简称485)。在回顾一些485标准的关键方面后，通过一个工厂自动化例子，先容实际项目中如何履行差分传输构造。
远间隔、高噪声环境下，打算机组件和外设之间的数据传输常日是困难的，如果有可能的话，只管即便利用单端驱动器和吸收器。对付这种须要远间隔通讯的系统，推举利用平衡数字电压接口。
485是一个平衡(差分)数字传输线接口，是为了改进TIA/EIA-232(以下简称232)的局限性而开拓出来的。485具有以下特性：
· 通讯速率高 – 可达到50M bits/s
· 通讯间隔远 – 可达到1200米(注：100Kbps情形下)
· 差分传输 – 较小的噪声辐射
· 多驱动器和吸收器
在实际运用中，如果两个或更多打算机之间须要价格低廉、连接可靠的数据通讯，都可以利用485驱动器、吸收器或收发器。一个范例的例子是发卖终端机和中央打算机之间利用485传输信息。利用双绞线传输平衡旗子暗记具有较低的噪声耦合，加上485具有很宽的共模电压范围，以是485许可高达50M bit/s的速率通讯，或者在低速情形下具有数千米通讯间隔。
由于485用场广泛，越来越多的标准委员会将485标准作为它们通讯标准的物理层规范。包括ANSI的SCSI(小型打算机系统接口)、Profibus标准、DIN丈量总线以及中国的的多功能电能表通讯协议标准DL/T645。
平衡传输线标准485于1983年开拓，用于主机与外设之间的数据、时钟或掌握线的数据传输接口。标准仅规定了电气层，其它的像协议、时序、串行或并行数据以及链接器全部由设计者或更高层协议定义。
最初，485标准被定义为是对TIA/EIA-422标准(以下简称422)的灵巧性方面升级。鉴于422仅是单工通讯(注：422利用两对差分通讯线，发送利用一对，吸收利用一对，以是数据在一条线上是单向传输的)，485许可在一对旗子暗记线上有多个驱动器和吸收器，有利于半双工通讯(见图1)。和422一样，485没有规定最大电缆长度，但是在利用24-AWG电缆、100kbps条件下，可以传输1.2km;485同样没有限定最大旗子暗记速率，而是由上升沿韶光和位韶光的比率限定，这和232相似。在大多数情形下，由于传输线效应和外界噪声影响，电缆长度比驱动器更能限定旗子暗记速率。
2.系统设计把稳事变
2.1线负载
在485标准中，线负载要考虑线路终端和传输线上的负载。是否对传输线终端匹配取决于系统设计，也受传输线长度和旗子暗记速率的影响(一样平常情形下，低速短间隔可以不进行终端匹配)。
2.1.1传输线终端匹配
可以将传输线划分为两种模型：分布式参数模型[1]和集总参数模型[2]。测试传输线属于哪种模型取决于旗子暗记的渡越(上升/低落)韶光tt与驱动器输出到线缆末端的传播韶光tpd。
如果2tpd≥tt/5，则传输线必须按照分布式参数模型处理，并且必须处理好传输线终端匹配;其它情形下，传输线看作节点参数模型，这时传输线终端匹配不是必须的。
注1：分布式参数模型 - 电路中的电压和电流是韶光的函数而且与器件的几何尺寸和空间位置有关。
注2：集总参数模型 - 电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端点的电流完备确定，与器件的几何尺寸和空间位置无关。
2.1.2单位负载观点
挂接在同一485通讯总线上的驱动器和吸收器，其最大数量取决于它们的负载特性。驱动器和吸收器的负载都是相对单位负载而衡量的。485标准规定一根传输总线上最多可以挂接32个单位负载。
单位负载定义为：在12V共模电压环境中，许可通过稳态负载1mA电流，或者是在-7V共模电压环境中，许可通过稳态负载0.8mA电流。单位负载可能由驱动器、吸收器和失落效保护电阻组成，但不包括AC终端匹配电阻。
图2给出了SN75LBC176A收发器单位负载打算的例子。由于这款设备将驱动器和吸收器集成到一起构成了收发器(即驱动器输出和吸收器输入连接到了同一根总线上)，因此很难分别获取驱动器泄露电流和吸收器输入电流。为了便于打算，将吸收器输入阻抗看作12 kΩ并给收发器1mA电流。这可以代表一个单位负载，一跟传输总线上许可32个这样的负载。
只要吸收器的输入阻抗大于12kΩ，那么可以在一根传输总线上利用多于32个这样的收发器。
2.2旗子暗记衰减和失落真
一个有用的知识是：在最大旗子暗记速率(单位：Hz)通讯的条件下，许可旗子暗记衰减-6dB。一样平常情形下，电缆供应商会供应旗子暗记衰减图表。图3所示的曲线显示了24-AWG电缆衰减和频率的关系。
确定随机噪声、抖动、失落真等对旗子暗记影响程度的最大略方法是利用眼图。图4显示利用20AWG双绞线电缆500米处、不同旗子暗记速率下，吸收真个旗子暗记失落真情形。当旗子暗记速率进一步增加，抖动的影响变得更加显著。在1Mbit/s时，抖动大约为5%，而在3.5Mbit/s时，旗子暗记开始彻底被淹没，传输质量严重降级。在实际系统中，可许可的最大抖动一样平常要小于5%。
2.3故障保护和失落效保护
2.3.1故障保护
和其它任何系统设计一样，必须习气性的考虑故障应对方法，不论这些故障是自然产生还是因环境勾引产生。对付工厂掌握系统，常日哀求对极度噪声电压进行防护。485供应的差分传输机制，特殊是宽共模电压范围，使得485对噪声具有一定的免疫力。但面对繁芜恶劣环境时，其免疫力可能不敷。有几种方法可以供应保护，最有效的方法是通过电流隔离，后面会谈论这个方法。电流隔离能够供应更好的系统级保护，但是价格也更高。更盛行并且比较便宜的方案是利用二极管保护。利用二极管方法代替电流隔离是一种折衷方法，在更低层次上供应保护。外接二极管和内部集成瞬态保护二极管的例子如下图所示：
图5所示485收发器SN75LBC176外接二极管来防止瞬态毛刺。
RT常日是终端匹配电阻，即是电缆特性阻抗R0。
图6所示内部集成瞬态抑制二极管的485收发器SN75LBC184，用于既希望利用完全485功能，PCB空间又受限的场合。SN75LBC184在内部集成了保护二极管，针对高能量电气噪声环境，可直接更换SN75LBC176。
2.3.2失落效保护
许多485运用也哀求供应失落效保护，失落效保护对付运用层是很有用的，须要仔细考虑并充分理解。
在任何多个驱动器/吸收器共用同一总线的接口系统中，驱动器大多数韶光处于非活动状态，这个状态被称为总线空闲状态。当驱动器处于空闲状态时，驱动器输出高阻态。当总线空闲时，沿线电压处于浮空状态(也便是说，不愿定是高电平还是低电平)。这可能会造成吸收器被缺点地触发为高电平或低电平(取决于环境噪声和线路浮空前末了一次电平极性)。显然，这种情形是不受欢迎的。在吸收器前面须要有干系电路，将这种不愿定状态变成已知的、预先约定好的电平，这称之为失落效保护。此外，失落效保护还要能防止因短路而引起的数据缺点。
有很多方法可以实现失落效保护，包括增加硬件电路和利用软件协议。只管软件协议实现起来比较繁芜，但这是优先推举的方法。但是由于大多数系统设计师、硬件设计师更喜好利用硬件实现失落效保护，增加硬件电路实现失落效保护更常常被利用。
无论涌现短路还是开路情形，失落效保护电路必须为吸收器供应明确的输入电压。如果通讯线所处环境非常恶劣，则线路终端匹配也是必须的。
目前很多厂商开始将一些失落效保护电路(如开路失落效保护)集成到芯片内部。常日这些额外的电路只是在吸收器同相输入端增加一个大阻值上拉电阻、在吸收器反相端增加一个大阻值下拉电阻。这两个电阻常日在100KΩ旁边，这些电阻和终端匹配电阻形成一个潜在的驱动器，仅能供应几个mV的差分电压。因此，这个电压(吸收器临界电压)并不敷以切换吸收器状态。利用这样的内部高下拉电阻许可总线不进行终端匹配，但是会显著的降落最大旗子暗记速率和可靠性。
图7给出了一些485接口通用外置失落效保护电路，每个电路都尽力坚持吸收器输入端电压不小于最小临界值并在一个或多个故障条件(开路、空闲、短路)下，坚持一个已知的逻辑状态。在这些电路中，R2代表传输线阻抗匹配电阻，并成为电压驱动器的一部分：产生稳态偏置电压。这里假设每个吸收器代表1个单位负载。
图7右半部分的表格中列出了一些范例电阻和电容值、供应的失落效保护类型、利用的单位负载个数和旗子暗记失落真。不才一节中，会通过对短路失落效电路中的电阻值打算，来解释如何修正这些电阻值以便适用于特定设计。
要实现短路保护，须要更多的电阻。当电缆短路时，传输线阻抗变为零，终端匹配电阻也背短路。在吸收器输入端串联额外的电阻可以实现短路失落效保护。
图8所示的额外电阻R3仅能用于驱动器和吸收器分离的场合。现在的绝大部分485驱动器和吸收器都集成到一个芯片上(称之为收发器)，并且在内部连接到同一个总线上，这种收发器不可以利用短路失落效保护。如果须要进行短路保护，可以选择内部集成短路保护的收发器或者利用驱动器和吸收器分离的器件，比如SN75ALS180。如果在收发器利用短路失落效保护电路，则电阻R3会引起输出旗子暗记额外的失落真。驱动器和吸收器分离的器件SN75ALS180不会有这个问题，由于驱动器是直接连到总线上的，旁路掉了R3。
下面对电阻值经行打算。如果传输线短路，R2从电路中移除，则吸收器输入端电压为：
VID= VCC 2R3 / (2R1 + 2R3)
对付485运用，标准规定吸收器可识别最低至200mV的输入旗子暗记。因此当VID> VIT或者VID > 200mV，能够确定一个已知状态。这是第一个设计约束条件：
VCC 2R3 / (2R1 + 2R3) > 200mV
当传输线上为高阻态时，吸收器受到R1、R2和R3的影响，其输入电压为：
VID= VCC (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3)
得到第二个设计约束条件：
VCC (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3) > 200mV
传输线会受终端匹配电阻R2与两倍的(R1+R3)并联影响。传输线的特性阻抗Zo与之相匹配，这得到第三个设计约束条件：
Zo= 2R2 (R1 + R3) / (2R1 + R2 +2R3)
其它设计约束条件包括由失落效保护电路供应的额外线负载、由R3和R1引起的旗子暗记失落真以及吸收器输入电阻。
注：SN75HVD10等3.3V 485收发器以及更新产品内部集成了短路/开路失落效保护电路。
2.4电流隔离
打算机和工业串行接口每每处于噪声环境中，可能会影响数据传输的完全性。对付任何接口电路，经由测试的可以改进噪声性能的方法是电流隔离。
在数据通讯系统中，隔离是指多个驱动器和吸收器之间没有直接电流流利。隔离变压器为系统供应电源，光耦或数字隔离器件供应数据隔离。电流隔离可以去除地环流，抑制噪声电压。因此，利用这种技能可以抑制共模噪声，降落其它辐射噪声。
举一个例子，图9显示了过程掌握系统的一个节点，通过485链路连接数据记录器和主打算机。
当附近的电动机启动时，数据记录器和打算机的地电势会涌现瞬间不同，这常日会引起一个大电流。如果数据通讯没有采取隔离方案，数据可能会丢失，更坏的情形下会危害打算机。
2.4.1电路描述
图9所示的事理图是分布式监视、掌握和管理系统的一个节点，这种方案常日用于过程掌握。数据通过一对双绞线传输，地线利用屏蔽层。这类运用常常须要低功耗，由于许多远程分站利用电池或者哀求有备用电池(电容停电后，须要设备能利用备用电池事情一定韶光)。此外，利用低功耗计数，可以利用小型隔离变压器。如图9所示，收发器利用SN65HVD10，当然任何TI公司3.3V或5V RS485收发器、3.3-V TIA/EIA-644 LVDS或者3.3-V TIA/EIA-899 M-LVDS收发器都可以利用这个电路。
2.4.2操作事理
图9所示的例子可用于3.3V或5V，电源利用变压器隔离，数据旗子暗记采取数字隔离器隔离。由于485收发器须要隔离电源，可调LDO稳压器必须被隔离。可以利用与非门振荡电路驱动隔离变压器实现这一功能。变压器的输出电压经由调度、滤波后，供低压差线性稳压器利用。在高EMI环境中，这种方法常用于预防其它远间隔供电子系统的噪声耦合到主电源。TPS7101用于给其它电子元件供电，最多供应500mA电流。通过调节偏置电阻R7，TPS7101可输出3.3V或5V，详细阻值见BOM清单。
数据旗子暗记隔离又三通道数字隔离器ISO7231M完成。该设备可以通过150Mbps旗子暗记速率，供应2.5KV(rms)电压隔离和50KV/us瞬间放电保护。
3.过程掌握设计举例
为了得到更多485系统设计知识，一个比较好的方法是看详细的例子。考虑这样一个别系：系统容量为1个主掌握器、数个分站的工厂自动化系统，每个分站都可以发送和吸收数据。
系统特性如下所示，通用规格见图10。
· 最远分站距主掌握器500米
· 31台分站(加上主机共32台设备)
· 旗子暗记传输速率为500 kbit/s
· 半双工通讯
遵照485标准的设备以500 kbit/s传输数据，哀求驱动器输出渡越(上升/低落)韶光tt不能大于0.3个单位间隔韶光(UI)，以是有：
tt≤ 0.3 UI
tt≤ 0.3 (1 /(500 103) ) = 600ns
如果电缆传输旗子暗记速率即是光在真空中的传播速率，则旗子暗记传输延时tpd为3.33ns/m，乘以传输线长度500米，为1667ns。
根据2.1节的公式可以确定传输线是分布式参数模型还是节点参数模型：若2tpd ≥ tt/5，则认为传输线为分布式参数模型。显然，3334 > 120，以是本例的传输线模型为分布式参数模型。在工业环境中，这种传输线必须要终端匹配。
关于衰减，只管旗子暗记速率为500 kbit/s的基本频率为250 kHz，我们仍旧按照500 kHz来打算衰减，这是由于旗子暗记中实在包含更高频的部分。根据最大衰减不要超过-6dB的履历法则，哀求500米电缆末端最大衰减小于-6dB，即0.36dB/30米。我们查看图3所示的图表，这是电缆厂商供应的衰减与频率关系的图表，500 kHz频率对应的衰减为0.5dB/30米还要多一些，超过设计约束条件0.14dB/30米。在本例中这是许可的，由于轻微减少守旧规则供应的噪声容限是可以接管的。
