RS485接口電路完全指南

RS-485接口電路完全指南你想懂得的都在這里了來源：21ic整頓核心字：RS-485

接口電路

本設計指南討論如何設計RS-485接口電路。文中討論了平衡傳輸線原則的必要性，并給出了一種過程控制設計例子。文中還分標題討論了線路負載、信號衰減、失效保護和電流隔離。1.為什么需要平衡傳輸線原則本文的重點在于工業(yè)最廣泛使用的平衡傳輸線原則：ANSI/TIA/EIA-485-A(下列簡稱485)。在回想某些485原則的核心方面后，通過一種工廠自動化例子，介紹實際項目中如何實施差分傳輸構造。遠距離、高噪聲環(huán)境下，計算機組件和外設之間的數(shù)據傳輸普通是困難的，如果有可能的話，盡量使用單端驅動器和接受器。對于這種需要遠距離通訊的系統(tǒng)，推薦使用平衡數(shù)字電壓接口。485是一種平衡(差分)數(shù)字傳輸線接口，是為了改善TIA/EIA-232(下列簡稱232)的局限性而開發(fā)出來的。485含有下列特性：·通訊速率高–可達成50Mbits/s·通訊距離遠–可達成1200米(注：100Kbps狀況下)·差分傳輸–較小的噪聲輻射·多驅動器和接受器在實際應用中，如果兩個或更多計算機之間需要價格低廉、連接可靠的數(shù)據通訊，都能夠使用485驅動器、接受器或收發(fā)器。一種典型的例子是銷售終端機和中心計算機之間使用485傳輸信息。使用雙絞線傳輸平衡信號含有較低的噪聲耦合，加上485含有很寬的共模電壓范疇，因此485允許高達50Mbit/s的速率通訊，或者在低速狀況下含有數(shù)千米通訊距離。由于485用途廣泛，越來越多的原則委員會將485原則作為它們通訊原則的物理層規(guī)范。涉及ANSI的SCSI(小型計算機系統(tǒng)接口)、Profibus原則、DIN測量總線以及中國的的多功效電能表通訊合同原則DL/T645。平衡傳輸線原則485于1983年開發(fā)，用于主機與外設之間的數(shù)據、時鐘或控制線的數(shù)據傳輸接口。原則僅規(guī)定了電氣層，其它的像合同、時序、串行或并行數(shù)據以及鏈接器全部由設計者或更高層合同定義。最初，485原則被定義為是對TIA/EIA-422原則(下列簡稱422)的靈活性方面升級。鑒于422僅是單工通訊(注：422使用兩對差分通訊線，發(fā)送使用一對，接受使用一對，因此數(shù)據在一條線上是單向傳輸?shù)?，485允許在一對信號線上有多個驅動器和接受器，有助于半雙工通訊(見圖1)。和422同樣，485沒有規(guī)定最大電纜長度，但是在使用24-AWG電纜、100kbps條件下，能夠傳輸1.2km;485同樣沒有限制最大信號速率，而是由上升沿時間和位時間的比率限制，這和232相似。在大多數(shù)狀況下，由于傳輸線效應和外界噪聲影響，電纜長度比驅動器更能限制信號速率。2.系統(tǒng)設計注意事項2.1線負載在485原則中，線負載要考慮線路終端和傳輸線上的負載。與否對傳輸線終端匹配取決于系統(tǒng)設計，也受傳輸線長度和信號速率的影響(普通狀況下，低速短距離能夠不進行終端匹配)。2.1.1傳輸線終端匹配能夠將傳輸線劃分為兩種模型：分布式參數(shù)模型[1]和集總參數(shù)模型[2]。測試傳輸線屬于哪種模型取決于信號的渡越(上升/下降)時間tt與驅動器輸出到線纜末端的傳輸時間tpd。如果2tpd≥tt/5，則傳輸線必須按照分布式參數(shù)模型解決，并且必須解決好傳輸線終端匹配;其它狀況下，傳輸線看作節(jié)點參數(shù)模型，這時傳輸線終端匹配不是必須的。注1：分布式參數(shù)模型-電路中的電壓和電流是時間的函數(shù)并且與器件的幾何尺寸和空間位置有關。注2：集總參數(shù)模型-電路中任意兩個端點間的電壓和流入任一器件端點的電流完全擬定，與器件的幾何尺寸和空間位置無關。2.1.2單位負載概念掛接在同一485通訊總線上的驅動器和接受器，其最大數(shù)量取決于它們的負載特性。驅動器和接受器的負載都是相對單位負載而衡量的。485原則規(guī)定一根傳輸總線上最多能夠掛接32個單位負載。單位負載定義為：在12V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負載1mA電流，或者是在-7V共模電壓環(huán)境中，允許通過穩(wěn)態(tài)負載0.8mA電流。單位負載可能由驅動器、接受器和失效保護電阻構成，但不涉及AC終端匹配電阻。圖2給出了SN75LBC176A收發(fā)器單位負載計算的例子。由于這款設備將驅動器和接受器集成到一起構成了收發(fā)器(即驅動器輸出和接受器輸入連接到了同一根總線上)，因此很難分別獲取驅動器泄漏電流和接受器輸入電流。為了便于計算，將接受器輸入阻抗看作12k?并給收發(fā)器1mA電流。這能夠代表一種單位負載，一跟傳輸總線上允許32個這樣的負載。只要接受器的輸入阻抗不不大于12k?，那么能夠在一根傳輸總線上使用多于32個這樣的收發(fā)器。2.2信號衰減和失真一種有用的常識是：在最大信號速率(單位：Hz)通訊的條件下，允許信號衰減-6dB。普通狀況下，電纜供應商會提供信號衰減圖表。圖3所示的曲線顯示了24-AWG電纜衰減和頻率的關系。擬定隨機噪聲、抖動、失真等對信號影響程度的最簡樸辦法是使用眼圖。圖4顯示使用20AWG雙絞線電纜500米處、不同信號速率下，接受端的信號失真狀況。當信號速率進一步增加，抖動的影響變得更加明顯。在1Mbit/s時，抖動大概為5%，而在3.5Mbit/s時，信號開始徹底被沉沒，傳輸質量嚴重降級。在實際系統(tǒng)中，可允許的最大抖動普通要不大于5%。2.3故障保護和失效保護2.3.1故障保護和其它任何系統(tǒng)設計同樣，必須習慣性的考慮故障應對方法，不管這些故障是自然產生還是因環(huán)境誘導產生。對于工廠控制系統(tǒng)，普通規(guī)定對極端噪聲電壓進行防護。485提供的差分傳輸機制，特別是寬共模電壓范疇，使得485對噪聲含有一定的免疫力。但面對復雜惡劣環(huán)境時，其免疫力可能局限性。有幾個辦法能夠提供保護，最有效的辦法是通過電流隔離，背面會討論這個辦法。電流隔離能夠提供更加好的系統(tǒng)級保護，但是價格也更高。更流行并且比較便宜的方案是使用二極管保護。使用二極管辦法替代電流隔離是一種折衷辦法，在更低層次上提供保護。外接二極管和內部集成瞬態(tài)保護二極管的例子以下圖所示：圖5所示485收發(fā)器SN75LBC176外接二極管來避免瞬態(tài)毛刺。RT普通是終端匹配電阻，等于電纜特性阻抗R0。圖6所示內部集成瞬態(tài)克制二極管的485收發(fā)器SN75LBC184，用于既但愿使用完整485功效，PCB空間又受限的場合。SN75LBC184在內部集成了保護二極管，針對高能量電氣噪聲環(huán)境，可直接替代SN75LBC176。2.3.2失效保護許多485應用也規(guī)定提供失效保護，失效保護對于應用層是很有用的，需要認真考慮并充足理解。在任何多個驅動器/接受器共用同一總線的接口系統(tǒng)中，驅動器大多數(shù)時間處在非活動狀態(tài)，這個狀態(tài)被稱為總線空閑狀態(tài)。當驅動器處在空閑狀態(tài)時，驅動器輸出高阻態(tài)。當總線空閑時，沿線電壓處在浮空狀態(tài)(也就是說，不擬定是高電平還是低電平)。這可能會造成接受器被錯誤地觸發(fā)為高電平或低電平(取決于環(huán)境噪聲和線路浮空前最后一次電平極性)。顯然，這種狀況是不受歡迎的。在接受器前面需要有有關電路，將這種不擬定狀態(tài)變成已知的、預先商定好的電平，這稱之為失效保護。另外，失效保護還要能避免因短路而引發(fā)的數(shù)據錯誤。有諸多辦法能夠實現(xiàn)失效保護，涉及增加硬件電路和使用軟件合同。盡管軟件合同實現(xiàn)起來比較復雜，但這是優(yōu)先推薦的辦法。但是由于大多數(shù)系統(tǒng)設計師、硬件設計師更喜歡使用硬件實現(xiàn)失效保護，增加硬件電路實現(xiàn)失效保護更經常被使用。無論出現(xiàn)短路還是開路狀況，失效保護電路必須為接受器提供明確的輸入電壓。如果通訊線所處環(huán)境非常惡劣，則線路終端匹配也是必須的?，F(xiàn)在諸多廠商開始將某些失效保護電路(如開路失效保護)集成到芯片內部。普通這些額外的電路只是在接受器同相輸入端增加一種大阻值上拉電阻、在接受器反相端增加一種大阻值下拉電阻。這兩個電阻普通在100KΩ左右，這些電阻和終端匹配電阻形成一種潛在的驅動器，僅能提供幾個mV的差分電壓。因此，這個電壓(接受器臨界電壓)并局限性以切換接受器狀態(tài)。使用這樣的內部上下拉電阻允許總線不進行終端匹配，但是會明顯的減少最大信號速率和可靠性。圖7給出了某些485接口通用外置失效保護電路，每個電路都極力維持接受器輸入端電壓不不大于最小臨界值并在一種或多個故障條件(開路、空閑、短路)下，維持一種已知的邏輯狀態(tài)。在這些電路中，R2代表傳輸線阻抗匹配電阻，并成為電壓驅動器的一部分：產生穩(wěn)態(tài)偏置電壓。這里假設每個接受器代表1個單位負載。圖7右半部分的表格中列出了某些典型電阻和電容值、提供的失效保護類型、使用的單位負載個數(shù)和信號失真。在下一節(jié)中，會通過對短路失效電路中的電阻值計算，來闡明如何修改這些電阻值方便合用于特定設計。要實現(xiàn)短路保護，需要更多的電阻。當電纜短路時，傳輸線阻抗變?yōu)榱悖K端匹配電阻也背短路。在接受器輸入端串聯(lián)額外的電阻能夠實現(xiàn)短路失效保護。圖8所示的額外電阻R3僅能用于驅動器和接受器分離的場合?，F(xiàn)在的絕大部分485驅動器和接受器都集成到一種芯片上(稱之為收發(fā)器)，并且在內部連接到同一種總線上，這種收發(fā)器不能夠使用短路失效保護。如果需要進行短路保護，能夠選擇內部集成短路保護的收發(fā)器或者使用驅動器和接受器分離的器件，例如SN75ALS180。如果在收發(fā)器使用短路失效保護電路，則電阻R3會引發(fā)輸出信號額外的失真。驅動器和接受器分離的器件SN75ALS180不會有這個問題，由于驅動器是直接連到總線上的，旁路掉了R3。下面對電阻值經行計算。如果傳輸線短路，R2從電路中移除，則接受器輸入端電壓為：VID=VCC*2R3/(2R1+2R3)對于485應用，原則規(guī)定接受器可識別最低至200mV的輸入信號。因此當VID>VIT或者VID>200mV，能夠擬定一種已知狀態(tài)。這是第一種設計約束條件：VCC*2R3/(2R1+2R3)>200mV當傳輸線上為高阻態(tài)時，接受器受到R1、R2和R3的影響，其輸入電壓為：VID=VCC*(R2+2R3)/(2R1+R2+2R3)得到第二個設計約束條件：VCC*(R2+2R3)/(2R1+R2+2R3)>200mV傳輸線會受終端匹配電阻R2與兩倍的(R1+R3)并聯(lián)影響。傳輸線的特性阻抗Zo與之相匹配，這得到第三個設計約束條件：Zo=2R2*(R1+R3)/(2R1+R2+2R3)其它設計約束條件涉及由失效保護電路提供的額外線負載、由R3和R1引發(fā)的信號失真以及接受器輸入電阻。注：SN75HVD10等3.3V485收發(fā)器以及更新產品內部集成了短路/開路失效保護電路。2.4電流隔離計算機和工業(yè)串行接口往往處在噪聲環(huán)境中，可能會影響數(shù)據傳輸?shù)耐暾?。對于任何接口電路，通過測試的能夠改善噪聲性能的辦法是電流隔離。在數(shù)據通訊系統(tǒng)中，隔離是指多個驅動器和接受器之間沒有直接電流流通。隔離變壓器為系統(tǒng)提供電源，光耦或數(shù)字隔離器件提供數(shù)據隔離。電流隔離能夠去除地環(huán)流，克制噪聲電壓。因此，使用這種技術能夠克制共模噪聲，減少其它輻射噪聲。舉一種例子，圖9顯示了過程控制系統(tǒng)的一種節(jié)點，通過485鏈路連接數(shù)據統(tǒng)計器和主計算機。當臨近的電動機啟動時，數(shù)據統(tǒng)計器和計算機的地電勢會出現(xiàn)瞬間不同，這普通會引發(fā)一種大電流。如果數(shù)據通訊沒有采用隔離方案，數(shù)據可能會丟失，更壞的狀況下會損害計算機。2.4.1電路描述圖9所示的原理圖是分布式監(jiān)視、控制和管理系統(tǒng)的一種節(jié)點，這種方案普通用于過程控制。數(shù)據通過一對雙絞線傳輸，地線使用屏蔽層。這類應用經常需要低功耗，由于許多遠程分站使用電池或者規(guī)定有備用電池(電容停電后，需要設備能使用備用電池工作一定時間)。另外，使用低功耗計數(shù)，能夠使用小型隔離變壓器。如圖9所示，收發(fā)器使用SN65HVD10，固然任何TI公司3.3V或5VRS485收發(fā)器、3.3-VTIA/EIA-644LVDS或者3.3-VTIA/EIA-899M-LVDS收發(fā)器都能夠使用這個電路。2.4.2操作原理圖9所示的例子可用于3.3V或5V，電源使用變壓器隔離，數(shù)據信號采用數(shù)字隔離器隔離。由于485收發(fā)器需要隔離電源，可調LDO穩(wěn)壓器必須被隔離。能夠使用與非門振蕩電路驅動隔離變壓器實現(xiàn)這一功效。變壓器的輸出電壓通過調節(jié)、濾波后，供低壓差線性穩(wěn)壓器使用。在高EMI環(huán)境中，這種辦法慣用于防止其它遠距離供電子系統(tǒng)的噪聲耦合到主電源。TPS7101用于給其它電子元件供電，最多提供500mA電流。通過調節(jié)偏置電阻R7，TPS7101可輸出3.3V或5V，具體阻值見BOM清單。數(shù)據信號隔離又三通道數(shù)字隔離器ISO7231M完畢。該設備能夠通過150Mbps信號速率，提供2.5KV(rms)電壓隔離和50KV/us瞬間放電保護。3.過程控制設計舉例為了獲得更多485系統(tǒng)設計知識，一種比較好的辦法是看具體的例子。考慮這樣一種系統(tǒng)：系統(tǒng)容量為1個主控制器、數(shù)個分站的工廠自動化系統(tǒng)，每個分站都能夠發(fā)送和接受數(shù)據。系統(tǒng)特性以下所示，通用規(guī)格見圖10?！ぷ钸h分站距主控制器500米·31臺分站(加上主機共32臺設備)·信號傳輸速率為500kbit/s·半雙工通訊遵照485原則的設備以500kbit/s傳輸數(shù)據，規(guī)定驅動器輸出渡越(上升/下降)時間tt不能不不大于0.3個單位間隔時間(UI)，因此有：tt≤0.3*UItt≤0.3*(1/(500*103))=600ns如果電纜傳輸信號速度等于光在真空中的傳輸速度，則信號傳輸延時tpd為3.33ns/m，乘以傳輸線長度500米，為1667ns。根據2.1節(jié)的公式能夠擬定傳輸線是分布式參數(shù)模型還是節(jié)點參數(shù)模型：若2tpd≥tt/5，則認為傳輸線為分布式參數(shù)