RS-485電路設計及接口防護

　　一、電路.

　　1.1. RS485通訊標準協(xié)議.

　　相信RS485通訊標準大家都已經(jīng)熟悉了，也不再多說(shuō)。下面的說(shuō)明部分在網(wǎng)上廣為流傳，就抄抄下來(lái)吧。

　　典型的串行通訊標準是RS232和RS485.它們定義了電壓,阻抗等。但不對軟件協(xié)議給予定義，區別于RS232, RS485的特性包括：

　　a. RS-485的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2—6) V表示;邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2—6)V表示。接口信號電平比RS -232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。

　　b. RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps

　　c. RS-485接口是采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　　d. RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實(shí)際上可達 3000米。 RS-485接口在總線(xiàn)上是允許連接多達128個(gè)收發(fā)器，因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(cháng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò ) ，一般只需二根連線(xiàn)，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸。

　　1.2. 典型的RS485通信芯片

　　以TI為例，通常所用的BC184，內置TVS保護，具有15KV靜電防護能力;稍差一點(diǎn)的BC182，則可以防護至8KV ESD沖擊;而3082，則只能承受4KV ESD沖擊。在選用485芯片時(shí)，需注意其ESD防護能力，驅動(dòng)能力，對485總線(xiàn)差分信號的定義等。

　　1.3. 485應用電路舉例。

　　如下圖：

　　a. A/B線(xiàn)需拉上下拉，保證總線(xiàn)空閑時(shí)，A/B差分信號仍是確定狀態(tài)，避免雜訊影響。上/下拉電阻取得小，則負載加重，會(huì )影響485總路線(xiàn)上節點(diǎn)數量;而取得大，則會(huì )影響數據傳輸的波特率。，一般在幾K到幾十K之間，具體還在看應用電路的需求。(比如此電路中上/下拉取值為3.3K，在實(shí)際帶載測試(1200bps)時(shí)，485總線(xiàn)上只能掛十幾外負載;而換成47K，則可以?huà)斓揭话俣鄠€(gè)負載;但若要在9600bps下通信，則上/下拉要小一些才行，目前的試驗發(fā)現，10K基本上已經(jīng)是極限了)

　　b. 對地TVS用作ESD防護。

　　c. 盡量不要以上/下拉電阻來(lái)驅動(dòng)負載，最好單獨用一路信號控制使能端，以充足發(fā)揮IC的驅動(dòng)能力。

　　d. V485輸出能力要足夠。因工業(yè)應用領(lǐng)域，485總路線(xiàn)上有可能同時(shí)接很多節點(diǎn)，此時(shí)A/B線(xiàn)對外輸出電流會(huì )比較大，若V485前端供電電路輸出不夠，則差分電壓不夠而導致無(wú)法正常通信。

　　二、接口防護設計

　　2.1 ESD防護

　　以TI 3082為例，芯片本身只能保證4KV HBM的ESD防護，而系統要求為8KV接觸放電，此時(shí)就需要在A(yíng)/B線(xiàn)間對地加TVS來(lái)保護芯片。TVS管盡量選用高速、低容值、大通流量的，當然夠用就好，不必追求過(guò)高的性能。啟動(dòng)電壓和截止電壓選取要恰當，以防止TVS誤動(dòng)作，而干擾485的正常通信(還要考慮到485總線(xiàn)上的共模電壓部分)。

　　在進(jìn)行PCB布板時(shí)，盡量使V485靠近電源輸出端，使電源線(xiàn)路盡量短;要保證接線(xiàn)良好，TVS管接地路徑也要盡量短。同時(shí)在V485前端供電電路輸出端，應采用大電容并小電容的方式，平滑輸出的同時(shí)，還能吸引部分ESD帶來(lái)的高壓尖峰。

　　總之，好的ESD防護，是用正確的器件以及合理的PCB Layout來(lái)實(shí)現的。

　　順便說(shuō)說(shuō)，通常ESD沖擊到來(lái)，會(huì )造成三種類(lèi)型的芯片損傷。一是擊穿，這種是不可恢復的。二是Latch-up，這種重新上電后又會(huì )消失，但長(cháng)時(shí)間latch-up狀態(tài)，則會(huì )使芯片燒毀。三是軟損傷，這種損傷并不會(huì )使芯片馬上失效，但會(huì )使芯片可靠性降低，這種損傷最隱性，往往要到客戶(hù)現場(chǎng)合用過(guò)一段時(shí)間后才會(huì )發(fā)現，這種損傷是最應該避免的。曾經(jīng)我們有一款產(chǎn)品，做ESD測試都能過(guò)，但往往在客戶(hù)端使用一段時(shí)間后就會(huì )出現問(wèn)題，后來(lái)分析才發(fā)現是ESD沖擊導致芯片軟損傷的結果。

　　2.2 高壓防護

　　很多系統還會(huì )要求485接口能耐受市電或者工業(yè)電直接接入，保證數分鐘通電不損壞。這樣的要求是為了保證在應用現場(chǎng)，工作人員不慎將交流電接入到485端口上時(shí)，不致引發(fā)485電路的損壞。

　　以本電路為例，以?xún)陕稰TC+TVS管形成回路，當有大的交流電壓灌入時(shí)，PTC開(kāi)始發(fā)熱，進(jìn)而形成高阻，保證后續電路。

　　在布板時(shí)，應注意在PTC和TVS管的通路間的線(xiàn)寬要足夠大(通常0.5mm線(xiàn)寬可通過(guò)1A電流，具體因PCB不同而不同。)，以承受大電流的通過(guò)。

　　2.3 高壓高頻電磁脈沖防護

　　A/B線(xiàn)對地的TVS能起到一定的保護作用，但更重要的是PCB布板合理，防止高頻高壓脈沖耦合進(jìn)內部線(xiàn)路，這部分可參考高頻電路的布板。

　　2.4 高壓沖擊防護

　　這部分防護，一是布板時(shí)要留足爬電距離;二是光耦及變壓器(有些系統是采用外置電源供電，同理)的隔離效果要好。

　　三、應用

　　RS485的理論通信距離可達1200m，速率可達幾Mbps，通訊節點(diǎn)可達256個(gè)(不同的芯片會(huì )有不同，也有支持四五百個(gè)節點(diǎn)的產(chǎn)品)。但在實(shí)際應用中受電路、接線(xiàn)方式及應用環(huán)境影響很大。下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)接線(xiàn)方式(這部分是從網(wǎng)上摘抄的，大家將就著(zhù)看吧)。

　　3.1 線(xiàn)材: 采用特性阻抗120±20%歐姆，截面積0.5平方毫米帶屏蔽雙絞線(xiàn)電纜作總線(xiàn)。(注意此阻值并不特指線(xiàn)路純電阻，而是特定頻率下的線(xiàn)路阻抗，通常485的通信頻率在1.2K到幾百K之間。)

　　3.2 布線(xiàn)規則：485總線(xiàn)要采用手拉手結構，而不能采用星形結構，從總線(xiàn)到每個(gè)節點(diǎn)的引出線(xiàn)長(cháng)度應盡量短。

　　3.3 連續性：應注意總線(xiàn)特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點(diǎn)就會(huì )發(fā)生信號的反射，造成通訊可靠性下降，所以，應該使用一條單一、連續的雙絞線(xiàn)作為總線(xiàn)。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續性：

　　a,總線(xiàn)的不同區段采用了不同電纜。

　　b,或某一段總線(xiàn)上有過(guò)多讀卡器緊靠在一起安裝。

　　c,分支線(xiàn)到總線(xiàn)的距離過(guò)長(cháng)。

　　3.4 阻抗匹配：在RS485組建網(wǎng)絡(luò )過(guò)程中另一個(gè)需要注意的問(wèn)題是終端負載電阻問(wèn)題，一般終端匹配采用終端電阻方法， RS-485應在總線(xiàn)電纜的開(kāi)始和末端都并接120Ω終端電阻。

　　3.5 中繼：理論上RS485的最長(cháng)傳輸距離能達到1200米，但在實(shí)際應用中由于外界的確一些干擾等因素，傳輸的距離要比1200米短，具體能傳輸多遠視周?chē)h(huán)境而定，在傳輸過(guò)程中可以采用增加中繼的方法對信號進(jìn)行放大，延長(cháng)傳輸距離。

　　3.6 接地：將485通訊線(xiàn)的屏蔽層用作地線(xiàn)，將讀卡器、RS232-RS485轉換器、電腦的地連接在一起，并且將RS485通訊線(xiàn)屏蔽層可靠接地，可接到建筑物避雷器的接地連接線(xiàn)上，接地連接線(xiàn)建議使用截面積4平方毫米以上多股銅線(xiàn)，從通訊線(xiàn)屏蔽層到建筑物避雷器的連接線(xiàn)盡可能短，并且連接時(shí)注意一定要可靠，連接點(diǎn)注意防銹。當使用光電隔離型中繼器做線(xiàn)路延長(cháng)或者分支時(shí)，各個(gè)分支的屏蔽層沒(méi)有直接連接，此時(shí)，每個(gè)分支的屏蔽層都應該獨立接地，接地要求同上。在同一條總線(xiàn)上或者同一個(gè)分支上，只能有一個(gè)接地點(diǎn)。