隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得更快、范圍更遠(yuǎn)，RS-485 通信標(biāo)準(zhǔn)的性能逐漸接近其極限。許多使用 RS-485 通信的工程師可能會(huì)對(duì)速度和距離的不足感到不滿意，但又擔(dān)心更換通信標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，希望能夠在不改變 RS-485 的前提下提升性能。為此，本文將介紹 ADI 的 MAX22500 系列，它在保持 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和高速通信。

RS-485 高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)睦Ь?/p>

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)具有出色的抗噪性，廣泛用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通信。然而，隨著近年來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，高速和長(zhǎng)距離傳輸成為挑戰(zhàn)。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)最初開發(fā)是為了支持高達(dá) 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率和高達(dá) 1.2 公里的通信距離。但是兩者不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)?RS-485 標(biāo)準(zhǔn)中存在速度和距離之間的權(quán)衡，速度越高，通信距離越短。

這種權(quán)衡有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，在一般的 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)速率 (bps) 和距離 (m) 的乘積不超過 10 的 8 次方。換句話說，在 10Mbps 傳輸速率的情況下，通信距離限制在大約 10~15m。近年來，雖然出現(xiàn)了以 30~40Mbps 數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的 RS-485 收發(fā)器，但實(shí)際上它們只能傳輸幾米的短距離。

圖1 典型的 RS485 距離與速度的關(guān)系

另一方面，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得越來越龐大和復(fù)雜。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要以 30~40Mbps 的通信速度傳輸約 100 米的情況并不少見，但這在傳統(tǒng)的 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)下是難以實(shí)現(xiàn)的。

為什么高速和長(zhǎng)距離傳輸如此困難？這是因?yàn)楦咚俸烷L(zhǎng)距離傳輸對(duì)信號(hào)有負(fù)面影響。信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到電纜和其他事物的影響，并逐漸降低質(zhì)量。因此，如果傳輸超過一定距離，輸出波形將被壓縮，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確讀取信號(hào)。隨著傳輸速度和距離的增加，影響會(huì)更大。

圖2 高速、長(zhǎng)距離傳輸對(duì)信號(hào)的不利影響

ADI MAX22500 系列：兼顧高速和長(zhǎng)距離傳輸?shù)?RS-485 收發(fā)器

基于上述背景，ADI 推出了 MAX22500 系列 RS-485 收發(fā)器，該系列產(chǎn)品能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和長(zhǎng)距離通信。它支持高達(dá) 100Mbps 的數(shù)據(jù)速率，并且可以通過 15V ±CMR 減少信號(hào)衰減。如果您目前對(duì) RS-485 通信性能感到不滿，只需將組件更換為 MAX22500 系列，即可在不改變通信標(biāo)準(zhǔn)的情況下提高速度和距離。另外，MAX22500E / MAX22502E 采用 5V 電源供電，并支持下文將介紹的預(yù)加重功能，而 MAX22501E 則由 3~5V 電源供電。

圖3 MAX22500E 系列 RS-485 收發(fā)器

MAX22500 系列的特點(diǎn)

MAX22500 系列的一個(gè)關(guān)鍵特性是驅(qū)動(dòng)能力和抗噪性顯著提升。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，兩者都得到了數(shù)倍的改進(jìn)，這使得實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高速通信成為可能。

圖4 MAX22500 系列的重要規(guī)格 (摘自 ADI MAX22500E 數(shù)據(jù)手冊(cè))

如前文所述，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)中通信速度 (bps) 和距離 (m) 的乘積通常限制在 10 的 8 次方左右。但是 MAX22500 系列可以將其提高到大約 10 的 9 次方，實(shí)現(xiàn)了約 10 倍的傳輸性能提升。

下圖 (圖5) 顯示了使用 MAX22500E 以 100Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸 10m Cat5e 電纜的眼圖。從圖中可以看出，孔徑高度為 ±2V，可確保高傳輸質(zhì)量。與傳統(tǒng)的 RS-485 收發(fā)器相比，MAX22500 系列的性能得到了極大的提高。

圖5 MAX22500E 運(yùn)行的輸出波形 (無預(yù)加重功能)

什么是預(yù)加重功能？

MAX22500E / MAX22502E 的預(yù)加重功能 (Pre-emphasis) 是實(shí)現(xiàn)更高性能的關(guān)鍵。預(yù)加重 (pre-emphasis) 是指在信號(hào)傳輸前預(yù)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng) (emphasis)。這是一項(xiàng)通過在傳輸信號(hào)之前預(yù)先加重信號(hào)來防止信號(hào)質(zhì)量下降的功能。具體來說，它通過在傳輸前提前將由于電纜和其他因素的影響而導(dǎo)致波形失真的部分提升到更高的水平，可以最大限度地減少傳輸后波形的劣化。下圖 (圖6) 為預(yù)加重函數(shù)的概念圖：

圖6 預(yù)加重函數(shù)的概念圖

預(yù)加重函數(shù)的效果

預(yù)加重功能對(duì)信號(hào)波形的改善有多大？下圖 (圖7) 對(duì)比顯示了在無預(yù)加重功能及使用預(yù)加重功能這兩種情況下，MAX22500E 在數(shù)據(jù)速率為 50Mbps 時(shí)通過 100m Cat5e 電纜的眼圖。

圖7 MAX22500E 輸出波形對(duì)比

左側(cè)顯示了不使用預(yù)加重功能傳輸 50Mbps 信號(hào)通過 100m 電纜的情況。雖然孔徑高度為 ±0.7V，但可以看出，由于高速、長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)質(zhì)量略有下降。右側(cè)顯示了使用預(yù)加重功能傳輸 50Mbps 信號(hào)通過 100m 電纜的情況。可以看到，當(dāng)孔徑高度已加寬至 ±1V 時(shí)，眼圖更加清晰。顯然，預(yù)加重功能可確保更高的傳輸質(zhì)量。

MAX22500 系列中通信距離與速度的關(guān)系

在 MAX22500 系列中，通信距離和速度有什么關(guān)系？下圖 (圖8) 展示了標(biāo)準(zhǔn) RS-485 規(guī)范與 MAX22500E 在通信距離與速度上的對(duì)比。對(duì)于 MAX22500E，當(dāng)禁用或啟用預(yù)加重功能時(shí)，圖中分別列出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖8 通信距離與速度之間的關(guān)系 (MAX22500 數(shù)據(jù))

從該圖中可以看出，即使在不啟用預(yù)加重功能的情況下，MAX22500 系列明顯高于傳統(tǒng)的 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)。在相同的距離上，它可以以更快的數(shù)據(jù)速率傳輸。隨著傳輸距離的增加，最大數(shù)據(jù)速率會(huì)降低，但可以通過啟用預(yù)加重功能來解這種下降趨勢(shì)。通過利用預(yù)加重功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速率和更長(zhǎng)距離的傳輸。

需要注意的是，使用預(yù)加重功能時(shí)，通信對(duì)端的設(shè)備也必須具有預(yù)加重功能。如果對(duì)端不具備預(yù)加重功能，可以禁用預(yù)加重功能。此外，MAX22500 系列還提供了不支持預(yù)加重功能的型號(hào) (如 MAX22501E)，用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇最合適的型號(hào)。

總結(jié)

本文我們介紹了 ADI 的 MAX22500 系列，該系列在 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離與高速通信的兼顧。通過使用 MAX22500 系列，僅需更換部件即可顯著提升 RS-485 的通信性能。此外，該系列均提供可試用的評(píng)估板。