用于電能計量應用的RS-485故障安全和信號丟失檢測器

　　簡(jiǎn)介

　　電能計量通信端口常常使用RS-485接口，可能受到大共模噪聲、地電位差和高壓瞬變的影響。具體說(shuō)來(lái)，通過(guò)主節點(diǎn)(中央數據收集點(diǎn))與電表從節點(diǎn)之間的長(cháng)電纜，這些危險因素可能會(huì )破壞數據通信，甚至引起RS-485接口永久損壞。

　　圖1顯示了三相電能計量從節點(diǎn)中的可能隔離域。隔離柵可以位于模擬前端(AFE)處或RS-485通信端口處。將三相AFE配合ADE7912或ADE7913使用，以隔離通信接口并測量A相、B相和C相上的電壓和電流。RS-485收發(fā)器將三相從節點(diǎn)與主節點(diǎn)隔離開(kāi)來(lái)，并允許主節點(diǎn)和電表從節點(diǎn)之間進(jìn)行可靠的控制和數據傳輸。無(wú)論隔離柵放在何處，ADI公司的iCoupler?技術(shù)都能在有系統接地差異、共模噪聲和電壓瞬變的情況下實(shí)現可靠運行。

　　采用RS-485作為物理層的更高級電能計量標準，例如IEC 62052-11和IEC 62053-21(有功電能1類(lèi)和2類(lèi)交流靜態(tài)瓦時(shí)電表)，針對RS-485接收器在空閑總線(xiàn)(無(wú)有效信號)上工作的情況，規定了一個(gè)明確的輸出狀態(tài)。ADM2682E iCoupler信號和isoPower?隔離式RS-485收發(fā)器具備真正的故障安全特性，針對總線(xiàn)空閑、開(kāi)路和短路狀況會(huì )提供邏輯高電平接收器輸出。若使用總線(xiàn)信號丟失(LOS)檢測器電路，可以給RS-485節點(diǎn)增加其他系統診斷功能。

　　圖1.位于隔離式AFE處或RS-485通信端口處的三相電能計量從節點(diǎn)的可能隔離域

　　故障安全和遲滯

　　總線(xiàn)空閑、開(kāi)路和短路故障安全

　　ADM2682E /ADM2687E具備真正的故障安全特性，針對總線(xiàn)空閑、開(kāi)路和短路狀況接收器會(huì )輸出邏輯高電平。

　　當RS-485 A和B引腳斷開(kāi)且沒(méi)有端接電阻或其他節點(diǎn)時(shí)，開(kāi)路故障安全特性會(huì )確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為高電平。ADI公司的所有RS-485收發(fā)器都有此特性。在A(yíng)DM2682E A引腳上有一個(gè)內部上拉電阻。如果A引腳斷開(kāi)且浮空，則該上拉電阻會(huì )將A引腳上拉至?30 mV以上。在A(yíng)DM2682E B引腳上也有一個(gè)下拉電阻。如果B引腳斷開(kāi)且浮空，則該下拉電阻會(huì )將B引腳下拉至-200 mV以下。這種情況下，A引腳電壓大于B引腳電壓，產(chǎn)生一個(gè)總線(xiàn)差分高電壓，接收器輸出為恒定邏輯高電平。

　　當兩個(gè)節點(diǎn)驅動(dòng)總線(xiàn)到相反電平時(shí)，或當總線(xiàn)線(xiàn)路短接在一起時(shí)，短路故障安全特性會(huì )確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為邏輯高電平。

　　總線(xiàn)空閑故障安全特性更為復雜;當沒(méi)有節點(diǎn)驅動(dòng)RS-485總線(xiàn)上的信號時(shí)，該特性會(huì )使ADM2682E或ADM2687E接收器輸出邏輯高電平。第一種方法是使用故障安全RS-485收發(fā)器，其接收器偏移閾值為?30 mV(舉例而言)，而不是TIA/EIA-845-A RS-485標準的200 mV。具有總線(xiàn)空閑故障安全特性的ADI RS-485收發(fā)器也有短路故障安全特性。第二種方法是使用總線(xiàn)上的上拉和下拉電阻，確保一個(gè)最小差分電壓。這種方法也稱(chēng)為有源端接法。根據電源電壓和總線(xiàn)負載，計算所需的電阻值，包括端接電阻和接收器阻抗。

　　圖2.ADM2682E或ADM2687E接收器故障安全特性

　　遲滯

　　TIA/EIA-845-A RS-485標準建議，RS-485收發(fā)器應采取措施防止接收器發(fā)生不穩定或振蕩狀況。接收器遲滯有助于增強其穩定性，并提供一種抗擾手段，這對長(cháng)電纜布線(xiàn)和惡劣現場(chǎng)總線(xiàn)環(huán)境特別重要。

　　ADM2682E /ADM2687E數據手冊規定接收器典型遲滯(ΔVHYS)(此處的“hys”大寫(xiě))為15 mV，接收器差分輸入閾值電壓范圍(VTH)為?200 mV至?30 mV。VTH是接收器輸出電壓(VRO)從高電平變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖降拈撝?。ΔVTH本質(zhì)上是高電平到低電平的VTH(圖3左側)與低電平到高電平的VTH(圖3右側)之差。

　　接收器遲滯ΔVTH幫助確保接收器差分輸入閾值電壓(VTH)周?chē)脑肼暡粫?huì )導致接收器輸出發(fā)生雜散性邏輯高電平或邏輯低電平轉換。

　　圖3.ADM2682E或ADM2687E接收器遲滯

　　RS-485信號丟失(LOS)檢測器

　　非隔離式實(shí)現方案

　　如果一個(gè)連接器斷開(kāi)與電表從節點(diǎn)的連接，或者一條RS-485電纜錯誤斷開(kāi)，LOS檢測器就會(huì )提醒系統微控制器。圖1顯示系統隔離柵既可放在A(yíng)FE處，也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵放在A(yíng)FE處，系統設計人員可以實(shí)現非隔離式LOS檢測器電路。

　　圖4顯示了一個(gè)非隔離式RS-485 LOS檢測器電路。LOS檢測器電路由第二個(gè)ADM3078E收發(fā)器構成，其用于實(shí)時(shí)監控總線(xiàn)狀態(tài)。LOS檢測器電路還包含一個(gè)簡(jiǎn)單的NC7S08 AND門(mén)，其連接到兩個(gè)ADM3078E器件的RO引腳。NC7S08 AND門(mén)的輸出隨后由電阻R和電容C進(jìn)行低通濾波。該低通濾波器的輸出(即LOS邏輯信號)通過(guò)導線(xiàn)直連到系統微控制器。

　　在正常工作期間，ADM3078E接收器可以檢測到來(lái)自RS-485總線(xiàn)的有效高電平輸入，并通過(guò)RO接收器輸出端輸出一個(gè)邏輯高電平信號。針對總線(xiàn)、開(kāi)路、短路和空閑狀況，ADM3078E接收器故障安全特性也會(huì )輸出一個(gè)邏輯高電平信號。當RS-485總線(xiàn)上長(cháng)時(shí)間無(wú)信號時(shí)，LOS檢測器電路會(huì )明確提醒系統微控制器。

　　圖4所示的LOS電路包括兩路ADM3078E接收器輸出，即RO和，其連接到NC7S08 AND門(mén)。當RO和的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，AND門(mén)輸出為邏輯高電平，表示總線(xiàn)電壓為0 V(RS-485總線(xiàn)上無(wú)信號)。

　　兩路ADM3078E接收器輸出的傳播延遲之差可能在NC7S08 AND門(mén)輸出上引起雜散毛刺。ADM3078E數據手冊顯示，接收器傳播延遲最大值為75 ns。在典型實(shí)驗室測量中，接收器傳播延遲可能是40 ns。典型實(shí)驗室測量的RO輸出和輸出之間可能有35 ns的傳播延遲差。此測量設置利用一個(gè)由27 ?電阻和220 pF電容形成的低通濾波器來(lái)補償35 ns的典型差值。

　　添加一個(gè)ADM3078E節點(diǎn)來(lái)監控總線(xiàn)LOS，則會(huì )導致RS-485網(wǎng)絡(luò )可支持的有效節點(diǎn)數減少。

　　系統設計人員必須考慮正?？偩€(xiàn)流量下的總線(xiàn)空閑時(shí)間，并在微控制器LOS故障提醒軟件中設計一個(gè)時(shí)序延遲予以解決。該延遲用于防止總線(xiàn)空閑狀況觸發(fā)系統LOS故障誤報。

　　圖4.采用ADM3078E的非隔離式LOS檢測器電路

　　圖5顯示了對應于圖4所示電路的測量信號。針對RS-485總線(xiàn)上無(wú)信號的特定狀況，系統微控制器得到的LOS邏輯輸出為邏輯高電平。

　　圖5.LOS檢測器電路測量

　　隔離式實(shí)施方案

　　圖1顯示系統隔離柵既可放在A(yíng)FE處，也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵不放在A(yíng)FE處，系統設計人員可以實(shí)現隔離式LOS檢測器電路。圖6顯示了一個(gè)隔離式RS-485 LOS檢測器。

　　圖6.采用ADM2682E的隔離式LOS檢測器電路