RS422/RS485網(wǎng)絡(luò )的無(wú)極性接線(xiàn)設計

摘要 給出一種RS422/485網(wǎng)絡(luò )中，模塊可以接收任意極性直流供電和總線(xiàn)信號的設計方法。該方法允許將2根信號線(xiàn)或直流電源線(xiàn)在傳輸途中任意極性續接，容忍了布線(xiàn)施工中的反接差錯，使工程施工大為方便

關(guān)鍵詞 RS422 RS485 無(wú)極性 分續線(xiàn)盒 整流電橋 差分曼徹斯特

1、問(wèn)題提出

現在的很多測控系統是使用RS422或RS485總線(xiàn)互連的。RS422/485總線(xiàn)信號是由4(2)根有極性的差分信號來(lái)傳輸的，不能將其反接。當網(wǎng)絡(luò )傳輸距離長(cháng)或節點(diǎn)多時(shí)，在線(xiàn)路上的分續線(xiàn)盒也會(huì )很多，很容易將信號線(xiàn)在傳輸途中接反，從而造成信號無(wú)法正常傳輸。雖然可以查出故障點(diǎn)，但在分線(xiàn)盒很多時(shí)，也是一件很費時(shí)的事情。為了布線(xiàn)方便，分續線(xiàn)盒的數量往往大于總線(xiàn)上的模塊數。對于室內系統，網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路一般外加PVC線(xiàn)槽甚至暗埋于墻體內；對于室外系統，線(xiàn)路一般架空或地下走線(xiàn)，造成對線(xiàn)路反接問(wèn)題的查找和修正很困難。另一方面，為了施工方便，也應允許在途中隨意接線(xiàn)，不分極性。為此，需要各模塊既能接收圖1（b）所示的正相信號，也能接收圖1（c）所示的極性可能反相的RS422、RS485信號。

圖1 傳輸線(xiàn)反接錯誤所引起的接收端信號波形改變

對于那些采取未經(jīng)任何編碼調制的基帶信號來(lái)傳輸數據的RS422/485系統，圖1中由于接線(xiàn)錯誤將造成收信方無(wú)法正確接收數據；但如對信號進(jìn)行適當的調制后，即使途中出現接線(xiàn)錯誤，收方仍然能正確接收到數據，即在布線(xiàn)施工中可以無(wú)極性布線(xiàn)。

下面分別給出使用未調制信號和調制信號傳輸數據2種情況下的無(wú)極性接線(xiàn)設計方法。先討論使用未編碼調制信號的情況。

2 、RS422信號線(xiàn)的無(wú)極性接線(xiàn)設計

RS422總線(xiàn)使用收發(fā)分開(kāi)的信號線(xiàn)傳輸，各為2根信號線(xiàn)。為了使RS422接收器能夠接收總線(xiàn)上傳來(lái)的2種極性的信號，見(jiàn)圖1（b）和圖1（c），首先要檢測到接線(xiàn)的錯誤，其次才是更正接線(xiàn)錯誤。這里希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò )模塊電路來(lái)修正接線(xiàn)錯誤，而不是通過(guò)更正錯誤的傳輸線(xiàn)連接。

（1） 人工修正方法

對于MCU的UART來(lái)說(shuō)，無(wú)信號傳送時(shí)，TX引腳為1電平，因此，RS422驅動(dòng)器的A端會(huì )為高電平，B端為低電平，此時(shí)，在接收模塊的A端也應為固定高電平。圖2電路中，在一個(gè)接收端和GND之間連接一個(gè)LED，從而可以據此判斷該端是和發(fā)送端A相連，還是和發(fā)送端B相連，然后通過(guò)4位撥碼開(kāi)關(guān)SW來(lái)人工調整模塊總線(xiàn)和接收模塊中RS422驅動(dòng)器接收輸入的連接。

圖2 RS422總線(xiàn)傳輸中的無(wú)極性接收電路

人工修正方法需要發(fā)送模塊在軟件上進(jìn)行配合。在調整時(shí)，發(fā)送方不能發(fā)送數據，也就是總線(xiàn)上的差動(dòng)電壓為固定的。這種方法，雖然有些麻煩，但在一些情況下，比起檢查和修正線(xiàn)路來(lái)還是要簡(jiǎn)便一些。

（2） 自動(dòng)修正方法

如果在總線(xiàn)輸入端子和RS422驅動(dòng)器之間用電磁繼電器（或模擬開(kāi)關(guān)）代替拔碼開(kāi)關(guān)SW，就可以通過(guò)軟件來(lái)自動(dòng)控制總線(xiàn)A、B端的切換。檢查是否存在錯誤接線(xiàn)也可通過(guò)軟件進(jìn)行，只要發(fā)送端發(fā)送一個(gè)和收方約定的固定內容數據，如果收方不能正確收到，則表明接線(xiàn)錯誤，就控制繼電器切換總線(xiàn)連接；否則，不切換。必須注意的是，使用模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，應注意對線(xiàn)路阻抗和傳輸速度的影響。

3、RS485信號線(xiàn)的無(wú)極性接線(xiàn)設計

RS485總線(xiàn)中的發(fā)送和接收信號共用一對線(xiàn)，使用的驅動(dòng)器可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是像SN75176之類(lèi)的驅動(dòng)器，在驅動(dòng)器內部已經(jīng)將Rx和Tx信號接到一起；另一類(lèi)是使用RS422方式的驅動(dòng)器，如發(fā)送和接收使用2個(gè)芯片，如SN75177（接收驅動(dòng)器）加SN75178（發(fā)送驅動(dòng)器），或者收發(fā)驅動(dòng)器集成在1個(gè)芯片上，如SNLBC75179、MAX488、MAX490等，這種情況下，在線(xiàn)路板上將收發(fā)的同相端短接。對于后者（使用收發(fā)引腳獨立的驅動(dòng)器），無(wú)極性設計的方法仍然類(lèi)同于RS422方式；對于前者，由于收發(fā)信號的同相端在驅動(dòng)器內部已經(jīng)短路，無(wú)法在接收驅動(dòng)器增加電路，不能達到無(wú)極性信號傳輸的目的。

可見(jiàn)，在RS485網(wǎng)絡(luò )中，模塊必須使用獨立收發(fā)引腳的驅動(dòng)器時(shí)，才能增加無(wú)極性設計電路。

4 、使用限制

以上方法只適合于點(diǎn)對多點(diǎn)的主從式RS422/485網(wǎng)絡(luò )。對于RS422網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，在主模塊中的接收驅動(dòng)器不能加修正電路，而應調整到發(fā)送模塊的發(fā)送端。因為在從模塊發(fā)送而主模塊接收的情況下，可能部分模塊和主模塊之間的連接正確，部分模塊和主模塊之間的連接錯誤。對于RS485網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，只要在從模塊的驅動(dòng)器接收端增加調整電路就可以了。

對于各模塊平等通信的RS422/485網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，一個(gè)模塊可能和其它模塊之間的接線(xiàn)既有正確，又有錯誤，因此通過(guò)此方法來(lái)修正。

5、采取調制信號傳輸消除信號極性

使用以上2種（手動(dòng)設置或軟件自動(dòng)配置）使模塊可以接收任意極性信號的方法雖然可行，但仍然有一些麻煩：手動(dòng)設置仍然會(huì )帶來(lái)施工的不便，而自動(dòng)配置會(huì )增加軟件設計的復雜度，降低了可靠性。此外，以上方法也只適用于點(diǎn)對多點(diǎn)的主從通信網(wǎng)絡(luò )，對于節點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò )不能使用。

另外一種消除信號極性的方法就是在對信號編碼調制后傳送，使調制后的信號是無(wú)極性要求的。在數據傳輸領(lǐng)域，最常用的無(wú)極性信號調制方法是使用差分曼徹斯特編碼，其波形如圖3所示。

差分曼徹斯特編碼信號的編碼原則是：

◇ 在信號位中間總是將信號反相；

◇ 在信號位開(kāi)始時(shí)不改變信號極性，表示邏輯1；

◇ 在信號位開(kāi)始時(shí)改變信號極性，表示邏輯0。

由此可見(jiàn)，經(jīng)差分曼徹斯特編碼的信號，見(jiàn)圖3（b），經(jīng)過(guò)由于接線(xiàn)錯誤變成反相的波形后，見(jiàn)圖3（c），仍然符合此定義，從而可以解調出原始數據信號。

圖3 差分曼徹斯特編碼信號及其反相

為了在RS422/485網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現差分曼徹斯特編碼，需要在UART和RS422/485芯片之間增加編碼電路。差分曼徹斯特編碼屬于自同步編碼，因此需要時(shí)鐘。對于工作于異步方式的UART來(lái)說(shuō)，可以使用GAL器件完成編碼和解碼，但用于控制UART異步傳輸的波特率時(shí)鐘和編碼電路時(shí)鐘必須使用同一時(shí)鐘源。以下給出圖4所示的實(shí)現框圖，具體實(shí)現電路這里不再詳細敘述。也可以使用專(zhuān)用芯片完成編碼和解碼，比如采用Echelon公司的FTT-10A收發(fā)器。該收發(fā)器對信號進(jìn)行差分曼徹斯特編碼調制后傳輸（同時(shí)包含一個(gè)隔離變壓器）。

圖4 使用差分曼徹斯特編碼產(chǎn)生無(wú)極性信號

6、直流供電的無(wú)極性接線(xiàn)設計

在RS422/485網(wǎng)絡(luò )中，常采用集中+5 V、+12 V或+24 V直流對所有模塊進(jìn)行供電，如線(xiàn)路較長(cháng)，一般使用+24 V電源，較短時(shí)使用+5 V或+12 V電源。同信號線(xiàn)一樣，電源線(xiàn)也同樣存在反接問(wèn)題，基于同樣目的和原因，模塊也應能使用正相和反相接線(xiàn)2種情況的輸入電源。和信號不同，2根電源線(xiàn)雖然可能反接，線(xiàn)間的電位差始終是一個(gè)極性，要么為正，要么為負，因此，可以在模塊電源輸入處增加一個(gè)整流電橋，在電橋的輸出端就始終能得到正極性的+24 V或+12 V、+5 V電壓供自己使用了，如圖5所示。

圖5 集中直流供電網(wǎng)絡(luò )的無(wú)極性電源接收電路