RS-485单元负载和最大总线连接数

The RS-485 unit load and maximum number of bus connections-Texas Instruments Incorporated-By Kevin Gingerich

机翻：
RS-485单元负载和最大总线连接数-凯文·金格里奇

介绍

TIA/EIA-485（RS-485）是一种在多点差分总线上进行数据交换的通用电气标准。多点总线是连接到公共传输介质的三个或更多站点，允许在任意两个节点之间进行双向数据通信。图1示意性地显示了一个多点总线的示例。

保持对RS-485驱动器输出驱动能力的实际限制要求对总线提供的稳态负载施加限制。这反过来又限制了站点的输入电阻，并最终限制了最大连接数。

RS-485没有指定总线连接的最大数量。相反，该标准定义了由单元负载中的总线连接表示的稳态电气负载。以下段落解释了单元负载以及如何使用它来确定连接到RS-485总线段的最大节点数。

图1.多点总线示意图

单元负载

TIA/EIA-485-A将单元负载定义为一个15-kΩ电阻器连接到–3或5V电源（见图2）。-3V适用于正输入电流，5V适用于负总线电流。该定义和模型适用于-7至12V的输入电压，以考虑0至5V之间的驱动器输出，以及驱动器和接收器之间高达±7V的共模噪声电压。

图2.1个单元负荷电气模型

任何连接到RS-485总线的建议连接所呈现的单位负载（nUL）的数量随后被确定为其测量输入电流与1个单位负载电流的比率。由于1个单位负荷的电流是电压的函数，必须测量输入电流，并在整个-7-12V输入电压范围内确定比率，最高比率确定单位负荷额定值。

图3显示了一个假设的例子，其中一个电路的测量输入电流是非线性的。可以显示（见下页侧栏）在其最大值时，测量电流和单位负载电流的比率等于两个函数的斜率的比率，并且位于一条截距为-3V（正电流）和5V（负电流）的线上。从概念上讲，这相当于旋转一条以I=0mA和V=-3V为轴的线，直到它与测量的正电流与电压。对于负电流，线路以I=0mA和V=5V为支点。在我们的例子中，最大比率出现在测量的输入电流为0.65mA和-0.72mA时。比率和nUL可以通过将截距处的测量值除以求解单位负载电路得出的值来计算；或者，为了方便起见，这些线通常延伸到12-V或-7-V截距处。由于单位负荷和切线的斜率是常数，因此它们的比值是常数，可以在任何电压下确定。根据定义，12 V时输入1个单位负载的电流为1毫安，–7 V时为–0.8mA。这些值分别分为12 V和-7 V时切线的当前截距值，最大值决定电路的nUL。在本例中，假设电路的输入电流与电压特性产生1.22个单位负载。

图3.单位负仔分析示例

最大单位负载

标准RS-485驱动器的最小输出驱动能力见TIA/EIA-485-a第4.2.3条，该条规定了共模负载下至少1.5 V的差分输出电压。图4显示了该测试电路的示意图。

图4.共模负载下的差分输出电压

375欧姆电阻当然是共模负载的一部分。不明显的是，-7到12V的测试电压实际上代表一个±7V的共模噪声源和一个0到5V的负载本地电源电压。这一点很重要，因为本地电源包含在此测试电路的单位负载确定中。图5显示了插入“本地”接地作为单位负荷计算参考的共模测试电路。为了确定该测试电路的单位负载，我们绘制了A点或B点与图5的“本地”接地之间的输入电流与电压的函数图，然后应用前面描述的单位负载定义。如图6所示，我们发现切线截距处的电流在V=12V时为32mA，在V=-7V时为-32mA。根据定义，这分别表示32个单位荷载和40个单位荷载。

图5.测试电路的物理表示

图6.共模测试电路单位负载

读取器可能已经注意到单元负载模型和驱动器测试电路之间的差异。我们只能假设这是TIA/EIA-485作者的疏忽或妥协。经测试，单位负荷模型应包括一个12 kΩ电阻到0-5-V电源，而不是15 kΩ到a-3-5-V电源。如果我们使用这个修改后的定义，那么TIA/EIA-485-A的差分输出电压和共模负载测试可以确保一个标准驱动器能够在32个单元负载下工作。

nUL是斜率的证明

用f1（V）定义单位负载的输入电流，用f2（V）定义被测电路。单位载荷（nUL）的数量是

当一阶导数等于零时出现最大数值，或

因此，最大nUL等于输入电流函数的一阶导数（斜率）的比值。以下方程式用于求解单位负载电路：

将这些代入方程式1，得到

这些线方程意味着，nUL最大的输入电流位于与点I=0 mA和V=-3 V（正电流）和I=0 mA和V=5 V（负电流）相交的线上。

使用单位负载

除了复习解析几何外，单位负荷的概念对数据交换电路的设计者有什么用？它主要提供一个标准参数，用于计算最大连接数和指定可能线路电路的输入特性。因为我们知道一个驱动程序在标准总线配置中支持32个单元负载，所以我们只需要将32除以节点总数（N）就可以得到最大值每个线路电路的单位额定负载。例如，如果要连接48个节点，则每个线路接收器或收发器的单位负载不得超过0.67（32/48）。

当实现非标准总线配置时，单元负载也很有用。除了差分信号对的差分终端外，上拉和下拉电阻器通常连接到线路上，以在所有连接的驱动器空闲时提供已知的总线状态。用于此故障安全终端的电阻值通常约为1 kΩ。如果是这样，该终端将消耗32个单元负载的预算中的12个单元负载（12 V时为12毫安）。这将为线路电路留下20个单位负载；并且，如果仍要连接48个节点，则每个线路电路现在必须不超过0.42个单位负载（20/48）。德州仪器（TI）提供了许多选项，其中一些选项如表1所示，用于支持大量RS-485总线连接。

表1.TI的部分单位负载装置

结论

单位负载是一个相对参数，它为确定RS-485总线段的最大连接数或指定线路电路的输入特性提供了依据。一个标准的RS-485驱动程序将处理32个单元负载，其中可能包括256个额定1/8单元负载的设备。