485通訊電路設(shè)計(jì)分析

1、 RS-485標(biāo)準(zhǔn)是由兩個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)于1983年共同制訂合開發(fā)的，即EIA電子工業(yè)協(xié)會(huì)和TIA通訊工業(yè)協(xié)會(huì)。EIA開始時(shí)在它所有的標(biāo)準(zhǔn)前加上“RS”前綴推薦標(biāo)準(zhǔn)Recommended standard的縮寫。這個(gè)名稱一直延用至今，現(xiàn)在EIA-TIA已正式用“EIA/TIA”取代“RS”以明確其來源。修訂后命名為TIA/EIA-485-A。不過我們還是習(xí)慣地稱之為RS-485。RS-485由RS-422發(fā)展而來。兩者是工業(yè)應(yīng)用中最成功的標(biāo)準(zhǔn)。而RS-422是一個(gè)差分標(biāo)準(zhǔn)，是為了彌補(bǔ)RS232的不足提出來的，改良了RS-232通訊距離短和速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提

2、高到了10Mbps，在速率低于1000Kbps時(shí)傳輸距離延長到4000英尺，并且允許在一條平衡線上連接最多10個(gè)接收器，可以說RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向傳輸標(biāo)準(zhǔn)。RS-485是在RS-422的基礎(chǔ)上，為了擴(kuò)展應(yīng)用范圍和通訊能力，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，也就是說，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)，增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和通訊沖突的保護(hù)特性，通過差分傳輸擴(kuò)展總線的共模范圍。RS-485滿足了所有的RS-422標(biāo)準(zhǔn)，但反之則不成立。RS-485實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器合接收器的電特性，而沒有規(guī)定插件、傳輸電纜與及通信協(xié)議。只是對應(yīng)于七層模型中的物理層。3

3、.RS-485的接口標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)：平衡傳輸、差開工作模式多點(diǎn)通信 驅(qū)動(dòng)器帶載最小輸入電壓：1.5V驅(qū)動(dòng)器帶載最大輸入電壓：5V最大輸出短路電流：250mA驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗： 54接收器輸入門限：200mV接收器最小輸入阻抗：12K7V至12V總線共模范圍最大輸入電流1.0mA/-0.8 mA (12Vin/-7Vin)接收器輸出邏輯高：200mV接收器輸出邏輯低：200mV 最大總線負(fù)載：32個(gè)單位負(fù)載允許收發(fā)器數(shù)目：32Tx 、32Rx最大傳輸速率：10Mbps最大電纜長度：4000英尺約1.2千米R(shí)S-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向半雙工的通訊鏈路，提供了高噪聲抑制、高的傳輸速率

4、、長傳輸距離、寬共模范圍和低成本的通信平臺(tái)。 4.1 RS-485網(wǎng)絡(luò)連接和節(jié)點(diǎn)配置事實(shí)上，雖然RS-485標(biāo)準(zhǔn)的定義里只定義了一個(gè)雙線通訊鏈路，但是在實(shí)際使用中，我們可以利用一條或者兩條這樣的鏈路來建立實(shí)用的通訊網(wǎng)絡(luò)，也就是說，RS-485可以很好的支持半雙工和全雙工的通訊模式。一般的，對于一條這樣的鏈路，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。而不支持常見的星型或者環(huán)形結(jié)構(gòu)。485總線的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)際上對通訊的可靠性是影響巨大的，特別是在通信距離的延長和通信數(shù)據(jù)傳送速率或者說通信所用波特率的提高之后，不良影響會(huì)越來越嚴(yán)重。以下1、2、3是一些常見的錯(cuò)誤的連接方案，其中的小圓圈代表一個(gè)接收/發(fā)

5、圖 1 常見錯(cuò)誤連接及改正方案送器單元。連線表示連接總線的電纜，一般我們采用屏蔽雙絞線作為這個(gè)連接介質(zhì)。在4、5、6里，我給出了對應(yīng)于1、2、3的連接改正方案。1、2、3連接方案，雖然在某些情況下，比方很短的距離，對通信速率要求不高，可以采用低速率，而且收發(fā)單元也很少等場合，可能可以實(shí)現(xiàn)通信。但一旦這些方案用于通信距離長，和通信速率要求高的現(xiàn)場，就可能出現(xiàn)不能通信。主要的原因就是信號(hào)在各個(gè)支路會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，和原信號(hào)疊加，造成了信號(hào)的不穩(wěn)定性。另外，由電磁學(xué)理論我們知道，反射還可能發(fā)生在線路阻抗不連續(xù)或者起伏較大的地方，比方不同線路段采用了不同的電纜，某個(gè)段連接了很多收發(fā)器而另一段卻很少，又或

6、者某收發(fā)單元到主干總線的連線太長，都可能出現(xiàn)阻抗的不連續(xù)，發(fā)生信號(hào)反射?？偩€的配置還涉及到連接的收發(fā)器數(shù)目問題，RS-485總線沒有給出一個(gè)允許連接的收發(fā)器數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但是規(guī)定了最大的總線負(fù)載容量，那就是最多接32個(gè)單位負(fù)載，每個(gè)單位負(fù)載的最大輸入電流是1.0mA/-0.8mA,也就是相當(dāng)于12K。這就給接口芯片一個(gè)擴(kuò)充收發(fā)器的可能性，器件生產(chǎn)商通過增大收發(fā)器的輸入電阻從而到達(dá)增加節(jié)點(diǎn)數(shù)的目的。我們目前用到的MAX3082就將節(jié)點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展到64個(gè)；為了解決總線上的發(fā)射和干擾，有時(shí)候就需要對總線進(jìn)行終端匹配，由于RS-485一般是用UART (Universal Asynchronous Re

7、ceiver/Transmitter 通用異步接收/傳送器) 方式進(jìn)行通訊，而UART是在每個(gè)數(shù)據(jù)的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在采樣開始時(shí)已經(jīng)衰減到可以忽略，那就不用考慮總線匹配問題。總線匹配問題和數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度、與及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率等都有關(guān)系，判斷在什么樣的情況下需要加匹配有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的原則： 當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間上升或者下降時(shí)間超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需的時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。當(dāng)要求考慮匹配時(shí)，一般的我們采用在總線兩端各接一個(gè)阻值等于電纜特性阻抗的電阻，例如雙絞線的這個(gè)特性阻抗是100至120之間。這個(gè)電阻就可以選擇在這個(gè)訪問范圍，如圖2a。 另外還可以用RC匹配，如圖2b；

8、或者使用一種加二極管的方案，如圖2c。 這幾種方案都有不同的特點(diǎn)：a有一個(gè)缺點(diǎn)，即匹配電阻要消耗電流，不適用于那些需要低功耗的系統(tǒng)。b的RC網(wǎng)絡(luò)很省電，但C值很難確定，要在功耗和匹配效率間折衷考慮。另外這種方法對信號(hào)的質(zhì)量也產(chǎn)生破壞。c實(shí)際上沒真正實(shí)現(xiàn)匹配，但利用了二極管的鉗位作用削弱了反射，改善了信號(hào)質(zhì)量，而且節(jié)能效果很好。在上面已經(jīng)提了一下，在節(jié)點(diǎn)支路最容易產(chǎn)生反射，其中節(jié)點(diǎn)引出線是個(gè)最大的影響因素，在圖1中我們也看到，其錯(cuò)誤連接就是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的引出線太長了。幾乎可以比擬主干線。事實(shí)上，一個(gè)485系統(tǒng)可以允許的引出線長度和信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率很有關(guān)系，有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可以粗略計(jì)算這個(gè)最大長度

9、：Lmax=(rise0.2m/ns)/10rise可以是上升或者下降時(shí)間在設(shè)計(jì)中我們選擇了MAX3085/3082作為接口芯片，對應(yīng)于它們的250ns的上升/下降時(shí)間，節(jié)點(diǎn)單元分機(jī)的最大引出線由上式算得約為5米。4.3失效保護(hù) (Fail-safe)RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為200mV。這樣能夠提供較高的噪聲抑制能力。但是，也會(huì)有一個(gè)問題：當(dāng)總線上的信號(hào)處于-200mV+200mV之間時(shí)，接收器接收到的信號(hào)狀態(tài)無法確定，注意到UART是以一個(gè)“0”電位作為起始位開始一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳遞的，所以這個(gè) 不定態(tài)可能會(huì)使UART錯(cuò)誤的接收一些數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤動(dòng)作。這個(gè)問題是不容無視的，特

10、別是對于實(shí)時(shí)性要求很高和控制要求高的場合，誤操作的后果是很嚴(yán)重的。而當(dāng)系統(tǒng)總線空閑、開路、或者短路時(shí)都有可能出現(xiàn)兩線電壓低于200mV的情況。故必須采用有效的措施來防止接收器處于不定態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置電阻。這樣在空閑或者開路是把總線偏置到一個(gè)確定態(tài)。但是這種方法不能解決總線短路問題。在我們設(shè)計(jì)過程中，考慮了這個(gè)問題，采用的MAX3082芯片是有失效保護(hù)的，而目前MAXIM公司的MAX485，MAX487等芯片就不具有這個(gè)功能。它采用的方法很巧妙，也是現(xiàn)在解決這個(gè)問題的最好方法：將接收門限移到200mV/-50mV，這樣就解決了在總線短路下的失效問題。因?yàn)檫@樣規(guī)定的門限，對于大于50m

11、V我們就確定為“1”態(tài)，對于短路狀態(tài)下的“0V”當(dāng)然就是確定的“1”態(tài)。這是MAXIM專門設(shè)計(jì)這款芯片的工程師告訴我們的。4.4 總線接地問題對于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們知道電源和接地問題是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，如果處理不好，經(jīng)常導(dǎo)致不能穩(wěn)定的工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于一個(gè)可靠的RS-485系統(tǒng)也是這樣。因?yàn)樵赗S-485的標(biāo)準(zhǔn)中只是強(qiáng)調(diào)了用兩根雙絞線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通訊線路A(+)和B(-)，受此影響。一個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)是認(rèn)為RS-485鏈路不需要信號(hào)地，只要把A和B 線路用兩個(gè)雙絞線連起來就行了，因?yàn)镽S-485接口是用差分方式傳輸信號(hào)的，并不需要相對于某個(gè)參照地來檢測信號(hào)，系統(tǒng)只需要檢測兩線間的電位差就

12、可以了。無可否認(rèn)在某些情況下這是可以工作的，但是也給系統(tǒng)留下了很大的隱患。因此我們要求所有的485通訊電路連接線都采用屏蔽線就是這個(gè)道理。一個(gè)問題就是共模干擾，注意到收發(fā)器只有在共模電壓不超過一定的范圍-7V+12V條件下才能正常工作，所以當(dāng)共模電壓超出這個(gè)范圍時(shí)通訊的可靠性就受到考驗(yàn)了。嚴(yán)重的話還可能燒毀接口。圖3 共模干擾模型 VCM= Vos VGPD如圖3給出的模型，發(fā)送器A對發(fā)送器B發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，A輸出的共模電壓為Vos，如果A、B 是不共地的話。那么就可能存在地電位差VGPD。那么接收器B輸入的共模電壓就會(huì)到達(dá)VCM=Vos VGPD 。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Vos3V，但是注意到VGP

13、D可能會(huì)有很大的幅度甚至幾十伏特且可能伴有強(qiáng)的干擾信號(hào)，這樣B接收端輸入VCM就有可能超出正常范圍，在信號(hào)線上引入干擾電流，影響通信甚至燒毀電纜。除了共模干擾，還有一個(gè)就是電磁輻射EMI對總線的影響，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如果系統(tǒng)沒有接地的回路，共模信號(hào)沒有一個(gè)低阻的回路，就會(huì)以電磁輻射的方式返回源端，整個(gè)總線就像一個(gè)長天線一樣向外輻射電磁波。這樣造成的信號(hào)損失和信息泄漏是很嚴(yán)重的。接地的措施其實(shí)很多，不過這些措施與共模干擾的頻率和干擾源的內(nèi)阻有關(guān)，圖4給出了一些不同情況下可考慮的措施： 圖 4 接地方案 1：干擾源內(nèi)阻大，直接加一低阻信號(hào)地線； 2：干擾源內(nèi)阻小，在1的

14、基礎(chǔ)上可以在信號(hào)地回路中加電阻，不過注意到這可能會(huì)增大共模電壓，R1、R2的取值要控制好，不能影響通信；3：浮地接法，當(dāng)干擾源內(nèi)阻實(shí)在太小，這種方法是可行的，因?yàn)楦魯嗔私拥鼗芈?，形成的環(huán)路電流不會(huì)很大；4：如果在3情況下，信號(hào)地和大地或機(jī)殼不能隔斷，那這種電氣隔離的方法是可行的。當(dāng)然，以上所述的各種情況都是在低頻率的情況下適用，如果是高頻瞬態(tài)干擾就不能這樣考慮了。因?yàn)橐€有電感，這個(gè)接地回路對瞬態(tài)干擾等于開路，瞬態(tài)干擾的產(chǎn)生我們可以想象得到，系統(tǒng)周邊的別的大功率感性器件，如電機(jī)、變壓器、繼電器等等，甚至最平常的就是閃電了。采用的措施可以類似圖4 中的4的電氣隔離方法?；蛘哂梅烹姽艿人矐B(tài)抑制器件，總之最終目的就是將瞬態(tài)放出的能量引到大地上去。4.5靜電放電保護(hù)ESD對于一個(gè)工作在實(shí)際的環(huán)境中的系統(tǒng)，所受到的外界影響是多種多樣的，靜電放電Electrostatic Discharge就是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。國際工業(yè)