通信電路設計指引

美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009485通信電路設計指引(發(fā)布日期:2009-04-241范圍本設計指引對485通信電路的電路原理,各器件的參數計算選擇,相關技術要求和實際使用中的有關問題進行了闡述。本設計指引適用于美的家用空調國內事業(yè)部的485通信電路的設計。2規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內容或修訂版均不適用于本標準,然而,鼓勵根據本標準達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本適用于本標準。QMN-J29.001空調器電子控制器(原標準號02.0083定義半雙工方式:此種方式下的系統(tǒng)中每個通信設備均有發(fā)送器和接收器,由電子開關切換,兩個通信設備之間只用一根通信線相連接,通信雙方都可以接收或者發(fā)送,但同一時刻只能單向傳輸。4總述RS-485總線作為一種允許多點、差分數據傳輸的通信電氣規(guī)范,定義了一個極為堅固可靠的,基于單對平衡線的多點,雙向(半雙工的通信鏈路,具有長傳輸距離、寬共模范圍、信號沖突保護、低成本和良好的抑制高噪聲等特性。RS-485實質上是一個電氣接口規(guī)范,它只規(guī)定了平衡驅動器和接收器的電特性,而沒有規(guī)定插件、傳輸電纜與通信協(xié)議,在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。目前美的家用空調很多機型,尤其是基站系列空調均使用到了RS-485通信電路。RS-485的接口規(guī)范特點如下:1美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范●平衡傳輸、差動工作模式●驅動器帶載最小輸入電壓:±1.5V●最大輸出短路電流:250mA●接收器輸入門限:±200mV●-7V至+12V總線共模范圍●接收器輸出邏輯高:>200mV●最大總線負載:64個單位負載●最大傳輸速率:10Mbps●多點通信規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009●驅動器帶載最大輸入電壓:±5V●驅動器輸出阻抗:54●接收器最小輸入阻抗:12K●最大輸入電流1.0mA/-0.8mA(12Vin/-7Vin●接收器輸出邏輯低:<200mV●允許收發(fā)器數目:32Tx、32Rx●最大電纜長度:約1.2千米4.1電路原理圖如圖1所示:+5V102C2C1104+5VR1101R21011N41481N4148D1D21N4148D51N4148D6C3104+5V8765VccBAGNDROREDEDI1234102C4R6101R7101R18R19R20512512512RO1RE/DE1DI1512512512R15R16R171234ROVccREBDEADIGNDIC1MAX130858765D4D31N41481N4148RO2RE/DE2DI2依依依依依依依依R4121R5121R3101R8101D71N41481N4148D91N4148D111N4148D13D81N4148IC2MAX13085+5V+5V+5V依依依依依依依依D101N4148+5V1N4148D15+5VD121N41481N4148D14D161N4148+5VC5104+5VC71045678DIGNDDEAREBROVccMAX13085IC3MAX13085IC4+5V512512512R23R22R21DIGNDDEAREBROVcc5678+5V512512512R24R25R26102C84321101R9R10R11101101R12101102C6R13R14101101DI3RE/DE3RO3依依依依依依依依4321RO4RE/DE4DI4依依依依依依依依圖1使用MAX13085通信芯片的485通信電路原理圖2美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范4.2工作原理簡介規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009DI是發(fā)送數據到總線,RO是接收總線上的數據,RE/DE是接收/發(fā)送允許,低電平時為接收,高電平時為發(fā)送。對于全雙工芯片,這兩個控制線可以同時有效,但對于半雙工的芯片,同一時間只能一個有效。當傳輸的距離很長時,而雙方信息的交換又不是很頻繁時都是采用半雙工方式,這樣可以節(jié)省一對傳輸用線。我們空調一般都是使用半雙工方式。主芯片將通信內容通過通信芯片MAX13085轉換為485總線的差分信號在總線上傳輸,再通過通信芯片MAX13085轉換為正常的5V波形輸入到主芯片上去,實現了主從機的通信。美的家用空調內銷使用過的485通信芯片主要有MAX3082和MAX13085兩種型號,由于市場上出現了較多的MAX3082假冒芯片,對產品質量存在較大風險,目前已全部切換為MAX13085型號,且主要使用SO-8貼片封裝,MAX3082和MAX13085的主要區(qū)別在于:MAX3082的工作電壓允許為+7V,輸出端電壓為±13V,最高傳輸速率為115Kbps,不支持熱插拔;而MAX13085的工作電壓允許為+6V,輸出端電壓為-8V~+13V,最高傳輸速率為250Kbps,支持熱插拔;4.3各元器件作用通信芯片IC1——485通信芯片,將主芯片的COMS電平轉換為總線上的差分信號,或將總線上的差分信號轉換為主芯片能識別的COMS電平;瓷片電容C1——對通信芯片電源進行處理;瓷片電容C2——將輸入到的主芯片信號濾波;上拉電阻R1,R2,R3——主芯片與485芯片之間的限流電阻;匹配電阻R4——為了解決總線上的發(fā)射和干擾,有時候就需要對總線進行終端匹配,如果反射信號在采樣開始時已經衰減到可以忽略,那就不用考慮總線匹配問題。由于目前我們通用的雙絞線的這個特性阻抗是100至120之間,因此在485電路的首端及末端增加一個100或120的電阻;二極管D1、D2、D3、D4——總線的上鉗位二極管,主要是濾掉總線上的串擾信號,同時降低各節(jié)點的反射信號,提高通信質量;R15、R16、R17——為選裝電阻,主要用作上拉用,解決主芯片三個通信口為開漏口時不能有效輸出電平的問題;當三通信口為普通I/O口時,可以不加此電阻。4.4各元器件選型通信芯片IC1選用MAXIM公司的新一代RS-485通信MAX3080~3089系列產品中的MAX3085,主要使用SO-8貼片封裝(202300700433,其中插件封裝不推薦使用。C1選用104的貼片或者瓷片電容均可;C2選用102的貼片或者瓷片電容均可,但是必須要加,否則通信的可靠性會受到很大的影響;R1,R2,R3選用100歐的普通貼片或插件電阻;R4選用120歐姆的1206貼片或插件電阻;D1、D2、D3、D4選貼片或插件的1N4148開關二極管;R15-R26依據對應主芯片端口的實際情況可選,選用5.1K的普通貼片或插件電阻。4.5RS-485通信電路的可靠性設計3規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009事實上,雖然RS-485規(guī)范的定義里只定義了一個雙線通信鏈路,但是在實際使用中,我們可以利用一條或者兩條這樣的鏈路來建立實用的通信網絡,也就是說,RS-485可以很好的支持半雙工和全雙工的通信模式。一般的,對于一條這樣的鏈路,網絡的拓撲結構采用終端匹配的總線型結構。而不支持常見的星型或者環(huán)形結構。485總線的網絡配置實際上對通信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據傳送速率或者說通信所用波特率的提高之后,不良影響會越來越嚴重。下圖2中的(1、(2、(3是一些常見的錯誤的連接方案,其中的小圓圈代表一個接收/發(fā)UART是在每個數據位的中點采樣數據的,只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經驗性的準則可以用來判斷在什么樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配:當信號的轉換時間(上升或下降4美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns,典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜,那么只要數據速率在250kbps以內、電纜長度不超過16米,采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。當考慮終端匹配時,有多種匹配方案可以選擇。常用的、最簡單可靠的匹配方式,就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻(圖3A。大多數雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間,但該匹配方式有一個缺點,那就是匹配電阻要消耗較大功率,對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合,目前美的家用空調485通信電路基本都是使用此匹配方式。比較省電的匹配方式就是RC匹配,如圖3B示,利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點,需要在功耗和匹配質量間進行折衷。另外,還有一種采用二極管的匹配方案(圖3C。這種方案雖未實現真正的"匹配",但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號,達到改善信號質量的目的,節(jié)能效果顯著。+5VD61N4148D51N4148RRCD81N4148D71N41483A3B3C5美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009B圖5A芯片內部自帶隔離方案VCCDIRE/DEROAB圖5B使用TVS管的旁路保護方案VCCDIRE/DEROVDDAB8美的家用空調國內事業(yè)部設計規(guī)范規(guī)范編號：QMN-J33.230-2009圖5C隔離芯片并結合使用TVS管的旁路保護方案4.6PCB電路設計注意事項實際設計中，485通信芯片應盡量靠近主芯片放置，主要是提高通信的可靠性，對于多節(jié)點之間的通信連接線組建議使用雙絞線或帶屏蔽的線組。當各節(jié)點的的跨距較遠，尤其是不同的整機之間進行485通信時，終端必須設計網絡的瞬態(tài)保護電路，防止485芯片被外界瞬態(tài)電壓損壞，保護器件一般選擇TVS管，目前美的確認的TVS管有：202301610603壓為6.8V，線路極限工作電壓為5.8V。P6KE6.8A，瞬態(tài)耗散功率為600W，動作電本標準由家用空調事業(yè)部技術研發(fā)中心技術管理室標