零延時(shí)RS一485接口電路的設計與應用

摘要根據在研制節能燈壽命檢測系統中，實(shí)際檢測環(huán)境傳輸數據量大，實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)，對物理總線(xiàn)的拓撲結構和通信協(xié)議提出要求。采用零延時(shí)RS一485接口電路，邏輯上采用主從式網(wǎng)絡(luò )結構，物理結構上采用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構；設計出一種支持主從式網(wǎng)絡(luò )結構的485HUB，經(jīng)過(guò)通信協(xié)議的幀校驗和幀超時(shí)的設計，進(jìn)一步提高軟件抗干擾的能力。測試結果表明，系統穩定可靠，抗干擾能力強。

關(guān)鍵詞零延時(shí)RS一485節能燈壽命檢測

1概述

RS一485接口是一種基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線(xiàn)，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠；同時(shí)易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )擴展，被廣泛的應用在很多工業(yè)現場(chǎng)。

節能燈壽命檢測環(huán)境中，主要干擾來(lái)自開(kāi)關(guān)和壽命檢測的強電干擾、開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾、空氣循環(huán)設備的干擾等等；同時(shí)由于壽命檢測環(huán)境溫度高，強電系統復雜，也給系統的運行提出更高的要求。壽命檢測系統要求實(shí)時(shí)報告每一盞節能燈的運行狀態(tài)、環(huán)境溫度、電壓等，并在壽終計算出節能燈壽命、光通等參數?？梢?jiàn)系統的傳輸數據量大，實(shí)時(shí)性強，因此物理總線(xiàn)的拓撲結構和通信協(xié)議尤為關(guān)鍵。

2接口設計

良好的接口設計，應該在硬件上保證系統有良好的抗干擾性、穩定性和易擴展性。本系統選用了性?xún)r(jià)比很高的半雙工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特點(diǎn)[1]：

①滿(mǎn)足或超出TIA/EIA-485A標準的要求；

②低靜態(tài)電流消耗——有效模式為小于0。3mA，關(guān)閉模式為lnA；

③優(yōu)化的驅動(dòng)器輸出信號，傳輸率達200kbps時(shí)保持低EMI；

④1/8單元負載——1條總線(xiàn)上多達256個(gè)節點(diǎn)；

⑤總線(xiàn)引腳ESD保護超過(guò)16kv；

⑥工業(yè)標準SN75176覆蓋范圍；

⑦失效保護功能。

基于SN65HVD3082的RS-485接口電路，通常有三種方案。

(1)直接控制收發(fā)的RS-485接口電路

此方法使用控制器切換發(fā)送使能和接收使能端，控制接口電路數據的發(fā)送和接收。由于采用直接收發(fā)，因此需要發(fā)送和接收時(shí)的轉換，只能加入額外的控制器來(lái)控制發(fā)送和接收的轉換；同時(shí)，需要用控制器存儲轉發(fā)所有的傳輸數據，這樣，每傳輸1幀數據，至少損失1個(gè)單位的接收時(shí)間(儲存轉發(fā)1幀數據的時(shí)間)。此方案不利于數據量大的實(shí)時(shí)通信，而且在發(fā)送和接收的切換過(guò)程中，在VA和VB(VA和VB分別是Rs一485總線(xiàn)的A、B端的電壓)有階躍電壓的產(chǎn)生。這個(gè)階躍電壓對接收器的接收有干擾產(chǎn)生。

(2)自動(dòng)收發(fā)轉換的RS-485接口電路

圖l所示的虛線(xiàn)框中為接口電路，通過(guò)對真值表進(jìn)行分析，其發(fā)送和接收過(guò)程為：

當發(fā)送端DI=O時(shí)，DE/RE=1發(fā)送O電平，接收端RO=O；當發(fā)送端DI=1時(shí)，DE/RE=0，VA=VB=2。5V，接收端由于上拉電阻的作用RO=1。

在此接口電路的TXo端加入1kHz的TTL方波對電路進(jìn)行測試。未加入120Ω端電阻時(shí)，接口芯片的485-A和485-B腳都有約50μs的電壓變化過(guò)程，如圖2所示。接收端Ro波形的上升沿有明顯的延遲約30～40μs(和數據發(fā)送端DI比較)，造成很大的傳輸誤差；加入120Ω端電阻時(shí)，延遲明顯縮小，約3μs。

此電路在發(fā)送高電平時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，總線(xiàn)上所有接口處于接收狀態(tài)，總線(xiàn)是空閑的，允許其他接口發(fā)送數據，因此容易引入總線(xiàn)沖突。特別是連續發(fā)送商電平比特時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)的時(shí)間越長(cháng)，引入總線(xiàn)沖突的幾率就越大。

(3)零延時(shí)的RS-485接口電路

零延時(shí)RS-4185接口電路主要采用74HCl4和電路中的電阻、電容等元件構成一個(gè)延時(shí)很短的電路，其主要作用是：

①發(fā)送器在發(fā)送高電平的時(shí)候，在短延時(shí)內不再是處于高阻狀態(tài)，仍有驅動(dòng)電流存在，這樣在一定程度上可以增加接口的抗干擾能力。

②從真值表可以看出．對于接收器，當VID=VA-VR≥一O。01V時(shí)，RO=1；在發(fā)送端，當DE/RE=0，發(fā)送驅動(dòng)器的VA和VB都是高阻態(tài)，此時(shí)VA=VB=2。5V，因此，這時(shí)對于接收端RO=1；而在短延時(shí)的時(shí)間內，由千DI=1且DE/RE=1．所以RO=1．可見(jiàn)在短延時(shí)和DE/RE=0的時(shí)間內接收端RO=l，這樣就完成了對高電平的發(fā)送和接收，而且在接收端的上升沿不會(huì )有延遲，即零延時(shí)，如圖3所示。

把圖l中自動(dòng)收發(fā)轉換的RS-485接口電路換成零延時(shí)的RS-485接口電路，如圖4所示。同樣在TX0端加入1kHz的方波對電路進(jìn)行測試，結果是接收端RO的上升沿不會(huì )有延遲。這和是否接入120Ω的端電阻沒(méi)有關(guān)系，證實(shí)了以上的分析。

圖2、3中虛線(xiàn)箭頭指向處的電壓為2。5V。

圖4中，根據系統所確定的傳輸速度來(lái)選擇R3和C0參數，以達到零延時(shí)。傳輸速度越高，延時(shí)越小。這里選擇R3=22kΩ，C0=1000pF。

自動(dòng)收發(fā)轉換的RS-4t85接口電路和零延時(shí)的RS-485接口電路都有不足之處，即在發(fā)送端發(fā)送連續的高電平時(shí)，邏輯上發(fā)送端是處于發(fā)送狀態(tài)，接收端處于接收狀態(tài)；但實(shí)際上，此時(shí)所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的發(fā)送端和接收端都處于接收狀態(tài)。這在對等的網(wǎng)絡(luò )結構中是不能忽視的，因為在這段時(shí)間內，總線(xiàn)是空閑的，是允許節點(diǎn)發(fā)送數據的。

這里采用的是主從式的網(wǎng)絡(luò )結構，因此這個(gè)問(wèn)題不會(huì )影響系統工作。

3網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的設計是根據壽命檢測系統的實(shí)際需要提出的，設計目標是：滿(mǎn)足lO個(gè)壽命架，每個(gè)壽命架64個(gè)節點(diǎn)的檢測要求，在硬件和軟件上做到容易擴展，走線(xiàn)合理。因此邏輯上采用主從式網(wǎng)絡(luò )結構，物理結構上采用星型拓撲結構，如圖5所示。這個(gè)拓撲結構有兩級總線(xiàn)，主要由以下設備組成：

①RS-232轉RS-485。實(shí)現RS-232到RS-485電氣信號的轉換，這是第一級RS-485總線(xiàn)。

②10口的485HIJB(集線(xiàn)器)。如圖6所示，485HUB是由1個(gè)主機和10個(gè)從機的零延時(shí)的RS-485接口組成，這是在邏輯上實(shí)現主從式結構的基礎。當主機端下行發(fā)送數據時(shí)，連接在10個(gè)從機接口上的所有接口都可以接收到數據；而當某個(gè)從機接口上掛接的節點(diǎn)上行發(fā)送數據時(shí)，只有主機節點(diǎn)(PS端)和掛接在同一個(gè)從機接口上的其他節點(diǎn)可以接收到數據。這是第二級RS-485總線(xiàn)。

③單片機節點(diǎn)。有4種節點(diǎn)，即節能燈狀態(tài)采集節點(diǎn)、溫度采集節點(diǎn)、供電電壓采集節點(diǎn)和模式控制節點(diǎn)。每個(gè)單片機節點(diǎn)的通信接口都采用零延時(shí)的RS-485接口電路，每一個(gè)節點(diǎn)都有自己的地址，用于PC端尋址。

理論上，SN75HVD3082的一條總線(xiàn)可以連接多達256個(gè)節點(diǎn)，因此在每個(gè)從機接口上可以擴展更多的節點(diǎn)；同時(shí)在RS-232轉RS-485轉換器的總線(xiàn)上也可以連接更多的485HUB。這樣就可以實(shí)現硬件上的擴展。

4通信協(xié)議

采用9600bps的波特率，固定長(cháng)度幀結構，幀長(cháng)度10字節。幀信息定義如下：幀頭(0x550xAA)、命令(1字節)、數據(4字節)、從機地址(2字節)、校驗(1字節)。

在通信協(xié)議中采用幀校驗和幀超時(shí)，以達到軟件抗干擾的目的。

①幀校驗：采用累加和校驗。在發(fā)送時(shí)，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個(gè)域相加并取最低字節填充到校驗域。如果節點(diǎn)不處于接收狀態(tài)，則啟動(dòng)發(fā)送，否則等待；如果在未超時(shí)，并完整地接收到10字節時(shí)，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個(gè)域相加，并與校驗域比較，相同表示成功接收到1幀數據。

②幀超時(shí)：幀超時(shí)定義是，在接收到第一個(gè)字節時(shí)，進(jìn)入接收狀態(tài)，并設置8ms定時(shí)，以后每接收到一個(gè)字節，重置8ms定時(shí)。正常情況下，接收一個(gè)字節約1ms時(shí)間。如果超過(guò)8ms，則退出接收狀態(tài)，丟棄當前接收幀，回到空閑狀態(tài)，等待下一幀的接收。

在程序設計中，幀超時(shí)的定義與程序的架構和波特率有關(guān)，原則上只要大于1個(gè)字節的接收時(shí)間就可以了。這里選擇8ms與程序的架構有關(guān)。

5測試結論和應用前景

在設置了所有節點(diǎn)的地址后，即可在現場(chǎng)對系統進(jìn)行測試。測試方案是，在PC機端運行測試軟件，約每隔50ms發(fā)送一次測試命令輪詢(xún)所有的節點(diǎn)。每一次發(fā)送都要求有數據返回，否則視為通信錯誤。軟件連續運行7天，沒(méi)有發(fā)現錯誤，說(shuō)明系統穩定可靠。

目前設計的節能燈壽命檢測系統已經(jīng)在現場(chǎng)成功投入使用，運行效果良好。此系統設計思想對于設計具有大量節點(diǎn)、大數據量的實(shí)時(shí)智能檢測系統起到借鑒作用，在自動(dòng)化檢測領(lǐng)域中將有較為廣泛的應用價(jià)值。