隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得更快、范圍更遠，RS-485 通信標準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對速度和距離的不足感到不滿意，但又擔心更換通信標準的復雜性，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 標準的同時可實現(xiàn)長距離和高速通信。

RS-485 高速長距離傳輸?shù)睦Ь?/p>

RS-485 標準具有出色的抗噪性，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，高速和長距離傳輸成為挑戰(zhàn)。RS-485 標準最初開發(fā)是為了支持高達 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率和高達 1.2 公里的通信距離。但是兩者不可能同時實現(xiàn)，這是因為 RS-485 標準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)衡有一個經(jīng)驗法則，在一般的 RS-485 標準中，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)速率運行的 RS-485 收發(fā)器，但實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 標準下是難以實現(xiàn)的。

為什么高速和長距離傳輸如此困難？這是因為高速和長距離傳輸對信號有負面影響。信號在傳輸過程中會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，導致難以準確讀取信號。隨著傳輸速度和距離的增加，影響會更大。

圖2 高速、長距離傳輸對信號的不利影響

ADI MAX22500 系列：兼顧高速和長距離傳輸?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)品能夠同時實現(xiàn)高速和長距離通信。它支持高達 100Mbps 的數(shù)據(jù)速率，并且可以通過 15V ±CMR 減少信號衰減。如果您目前對 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準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

MAX22500 系列的一個關(guān)鍵特性是驅(qū)動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，這使得實現(xiàn)遠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)

如前文所述，RS-485 標準中通信速度 (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) 是實現(xiàn)更高性能的關(guān)鍵。預(yù)加重 (pre-emphasis) 是指在信號傳輸前預(yù)先對信號進行增強 (emphasis)。這是一項通過在傳輸信號之前預(yù)先加重信號來防止信號質(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)加重功能對信號波形的改善有多大？下圖 (圖7) 對比顯示了在無預(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 時通過 100m Cat5e 電纜的眼圖。

圖7 MAX22500E 輸出波形對比

左側(cè)顯示了不使用預(yù)加重功能傳輸 50Mbps 信號通過 100m 電纜的情況。雖然孔徑高度為 ±0.7V，但可以看出，由于高速、長距離傳輸，信號質(zhì)量略有下降。右側(cè)顯示了使用預(yù)加重功能傳輸 50Mbps 信號通過 100m 電纜的情況。可以看到，當孔徑高度已加寬至 ±1V 時，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) 展示了標準 RS-485 規(guī)范與 MAX22500E 在通信距離與速度上的對比。對于 MAX22500E，當禁用或啟用預(yù)加重功能時，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 標準。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)速率會降低，但可以通過啟用預(yù)加重功能來解這種下降趨勢。通過利用預(yù)加重功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速率和更長距離的傳輸。

需要注意的是，使用預(yù)加重功能時，通信對端的設(shè)備也必須具有預(yù)加重功能。如果對端不具備預(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 (如 MAX22501E)，用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇最合適的型號。

總結(jié)

本文我們介紹了 ADI 的 MAX22500 系列，該系列在 RS-485 標準下實現(xiàn)了長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估板。