RS-485接口電路指南(TI:SLLA036D)

　　摘要：本設計指南討論如何設計RS-485接口電路。文中討論了平衡傳輸線(xiàn)標準的必要性，并給出了一個(gè)過(guò)程控制設計例子。文中還分標題討論了線(xiàn)路負載、信號衰減、失效保護和電流隔離。

　　1. 為什么需要平衡傳輸線(xiàn)標準

　　本文的重點(diǎn)在于工業(yè)最廣泛使用的平衡傳輸線(xiàn)標準：ANSI/TIA/EIA-485-A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)485)。在回顧一些485標準的關(guān)鍵方面后，通過(guò)一個(gè)工廠(chǎng)自動(dòng)化例子，介紹實(shí)際項目中如何實(shí)施差分傳輸結構。

　　遠距離、高噪聲環(huán)境下，計算機組件和外設之間的數據傳輸通常是困難的，如果有可能的話(huà)，盡量使用單端驅動(dòng)器和接收器。對于這種需要遠距離通訊的系統，推薦使用平衡數字電壓接口。

　　485是一個(gè)平衡(差分)數字傳輸線(xiàn)接口，是為了改善TIA/EIA-232(以下簡(jiǎn)稱(chēng)232)的局限性而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。485具有以下特性：

　　通訊速率高 – 可達到50M bits/s

　　通訊距離遠 – 可達到1200米(注：100Kbps情況下)

　　差分傳輸 – 較小的噪聲輻射

　　多驅動(dòng)器和接收器

　　在實(shí)際應用中，如果兩個(gè)或更多計算機之間需要價(jià)格低廉、連接可靠的數據通訊，都可以使用485驅動(dòng)器、接收器或收發(fā)器。一個(gè)典型的例子是銷(xiāo)售終端機和中心計算機之間使用485傳輸信息。使用雙絞線(xiàn)傳輸平衡信號具有較低的噪聲耦合，加上485具有很寬的共模電壓范圍，所以485允許高達50M bit/s的速率通訊，或者在低速情況下具有數千米通訊距離。

　　由于485用途廣泛，越來(lái)越多的標準委員會(huì )將485標準作為它們通訊標準的物理層規范。包括ANSI的SCSI(小型計算機系統接口)、Profibus標準、DIN測量總線(xiàn)以及中國的的多功能電能表通訊協(xié)議標準DL/T645。

　　平衡傳輸線(xiàn)標準485于1983年開(kāi)發(fā)，用于主機與外設之間的數據、時(shí)鐘或控制線(xiàn)的數據傳輸接口。標準僅規定了電氣層，其它的像協(xié)議、時(shí)序、串行或并行數據以及鏈接器全部由設計者或更高層協(xié)議定義。

　　最初，485標準被定義為是對TIA/EIA-422標準(以下簡(jiǎn)稱(chēng)422)的靈活性方面升級。鑒于422僅是單工通訊(注：422使用兩對差分通訊線(xiàn)，發(fā)送使用一對，接收使用一對，所以數據在一條線(xiàn)上是單向傳輸的)，485允許在一對信號線(xiàn)上有多個(gè)驅動(dòng)器和接收器，有利于半雙工通訊(見(jiàn)圖1)。和422一樣，485沒(méi)有規定最大電纜長(cháng)度，但是在使用24-AWG電纜、100kbps條件下，可以傳輸1.2km;485同樣沒(méi)有限制最大信號速率，而是由上升沿時(shí)間和位時(shí)間的比率限制，這和232相似。在大多數情況下，因為傳輸線(xiàn)效應和外界噪聲影響，電纜長(cháng)度比驅動(dòng)器更能限制信號速率。

　　2.系統設計注意事項

　　2.1線(xiàn)負載

　　在485標準中，線(xiàn)負載要考慮線(xiàn)路終端和傳輸線(xiàn)上的負載。是否對傳輸線(xiàn)終端匹配取決于系統設計，也受傳輸線(xiàn)長(cháng)度和信號速率的影響(一般情況下，低速短距離可以不進(jìn)行終端匹配)。

　　2.1.1傳輸線(xiàn)終端匹配

　　可以將傳輸線(xiàn)劃分為兩種模型：分布式參數模型[1]和集總參數模型[2]。測試傳輸線(xiàn)屬于哪種模型取決于信號的渡越(上升/下降)時(shí)間tt與驅動(dòng)器輸出到線(xiàn)纜末端的傳播時(shí)間tpd。

　　如果2tpd≥tt/5，則傳輸線(xiàn)必須按照分布式參數模型處理，并且必須處理好傳輸線(xiàn)終端匹配;其它情況下，傳輸線(xiàn)看作節點(diǎn)參數模型，這時(shí)傳輸線(xiàn)終端匹配不是必須的。

　　注1：分布式參數模型 - 電路中的電壓和電流是時(shí)間的函數而且與器件的幾何尺寸和空間位置有關(guān)。

　　注2：集總參數模型 - 電路中任意兩個(gè)端點(diǎn)間的電壓和流入任一器件端點(diǎn)的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無(wú)關(guān)。

　　2.1.2單位負載概念

　　掛接在同一485通訊總線(xiàn)上的驅動(dòng)器和接收器，其最大數量取決于它們的負載特性。驅動(dòng)器和接收器的負載都是相對單位負載而衡量的。485標準規定一根傳輸總線(xiàn)上最多可以?huà)旖?2個(gè)單位負載。

　　單位負載定義為：在12V共模電壓環(huán)境中，允許通過(guò)穩態(tài)負載1mA電流，或者是在-7V共模電壓環(huán)境中，允許通過(guò)穩態(tài)負載0.8mA電流。單位負載可能由驅動(dòng)器、接收器和失效保護電阻組成，但不包括AC終端匹配電阻。

　　圖2給出了SN75LBC176A收發(fā)器單位負載計算的例子。因為這款設備將驅動(dòng)器和接收器集成到一起構成了收發(fā)器(即驅動(dòng)器輸出和接收器輸入連接到了同一根總線(xiàn)上)，因此很難分別獲取驅動(dòng)器泄漏電流和接收器輸入電流。為了便于計算，將接收器輸入阻抗看作12 k?并給收發(fā)器1mA電流。這可以代表一個(gè)單位負載，一跟傳輸總線(xiàn)上允許32個(gè)這樣的負載。

　　只要接收器的輸入阻抗大于12k?，那么可以在一根傳輸總線(xiàn)上使用多于32個(gè)這樣的收發(fā)器。

　　圖2：?jiǎn)挝回撦d概念

　　2.2信號衰減和失真

　　一個(gè)有用的常識是：在最大信號速率(單位：Hz)通訊的條件下，允許信號衰減-6dB。一般情況下，電纜供應商會(huì )提供信號衰減圖表。圖3所示的曲線(xiàn)顯示了24-AWG電纜衰減和頻率的關(guān)系。

　　圖3：信號衰減

　　確定隨機噪聲、抖動(dòng)、失真等對信號影響程度的最簡(jiǎn)單方法是使用眼圖。圖4顯示使用20AWG雙絞線(xiàn)電纜500米處、不同信號速率下，接收端的信號失真情況。當信號速率進(jìn)一步增加，抖動(dòng)的影響變得更加顯著(zhù)。在1Mbit/s時(shí)，抖動(dòng)大約為5%，而在3.5Mbit/s時(shí)，信號開(kāi)始徹底被淹沒(méi)，傳輸質(zhì)量嚴重降級。在實(shí)際系統中，可允許的最大抖動(dòng)一般要小于5%。

　　圖4：485信號失真 VS 信號速率

　　2.3故障保護和失效保護

　　2.3.1故障保護

　　和其它任何系統設計一樣，必須習慣性的考慮故障應對措施，不論這些故障是自然產(chǎn)生還是因環(huán)境誘導產(chǎn)生。對于工廠(chǎng)控制系統，通常要求對極端噪聲電壓進(jìn)行防護。485提供的差分傳輸機制，特別是寬共模電壓范圍，使得485對噪聲具有一定的免疫力。但面對復雜惡劣環(huán)境時(shí)，其免疫力可能不足。有幾種方法可以提供保護，最有效的方法是通過(guò)電流隔離，后面會(huì )討論這個(gè)方法。電流隔離能夠提供更好的系統級保護，但是價(jià)格也更高。更流行并且比較便宜的方案是使用二極管保護。使用二極管方法代替電流隔離是一種折衷方法，在更低層次上提供保護。外接二極管和內部集成瞬態(tài)保護二極管的例子如下圖所示：

　　圖5所示485收發(fā)器SN75LBC176外接二極管來(lái)防止瞬態(tài)毛刺。

　　圖5：噪聲環(huán)境中的輸入保護

　　RT通常是終端匹配電阻，等于電纜特性阻抗R0。

　　圖6所示內部集成瞬態(tài)抑制二極管的485收發(fā)器SN75LBC184，用于既希望使用完整485功能，PCB空間又受限的場(chǎng)合。SN75LBC184在內部集成了保護二極管，針對高能量電氣噪聲環(huán)境，可直接替換SN75LBC176。

　　圖6：集成瞬態(tài)電壓保護，用于噪聲環(huán)境

　　2.3.2失效保護

　　許多485應用也要求提供失效保護，失效保護對于應用層是很有用的，需要仔細考慮并充分理解。

　　在任何多個(gè)驅動(dòng)器/接收器共用同一總線(xiàn)的接口系統中，驅動(dòng)器大多數時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)被稱(chēng)為總線(xiàn)空閑狀態(tài)。當驅動(dòng)器處于空閑狀態(tài)時(shí)，驅動(dòng)器輸出高阻態(tài)。當總線(xiàn)空閑時(shí)，沿線(xiàn)電壓處于浮空狀態(tài)(也就是說(shuō)，不確定是高電平還是低電平)。這可能會(huì )造成接收器被錯誤地觸發(fā)為高電平或低電平(取決于環(huán)境噪聲和線(xiàn)路浮空前最后一次電平極性)。顯然，這種情況是不受歡迎的。在接收器前面需要有相關(guān)電路，將這種不確定狀態(tài)變成已知的、預先約定好的電平，這稱(chēng)之為失效保護。此外，失效保護還要能防止因短路而引起的數據錯誤。

　　有很多方法可以實(shí)現失效保護，包括增加硬件電路和使用軟件協(xié)議。盡管軟件協(xié)議實(shí)現起來(lái)比較復雜，但這是優(yōu)先推薦的方法。但是因為大多數系統設計師、硬件設計師更喜歡使用硬件實(shí)現失效保護，增加硬件電路實(shí)現失效保護更經(jīng)常被使用。

　　無(wú)論出現短路還是開(kāi)路情況，失效保護電路必須為接收器提供明確的輸入電壓。如果通訊線(xiàn)所處環(huán)境非常惡劣，則線(xiàn)路終端匹配也是必須的。

　　目前很多廠(chǎng)商開(kāi)始將一些失效保護電路(如開(kāi)路失效保護)集成到芯片內部。通常這些額外的電路只是在接收器同相輸入端增加一個(gè)大阻值上拉電阻、在接收器反相端增加一個(gè)大阻值下拉電阻。這兩個(gè)電阻通常在100KΩ左右，這些電阻和終端匹配電阻形成一個(gè)潛在的驅動(dòng)器，僅能提供幾個(gè)mV的差分電壓。因此，這個(gè)電壓(接收器臨界電壓)并不足以切換接收器狀態(tài)。使用這樣的內部上下拉電阻允許總線(xiàn)不進(jìn)行終端匹配，但是會(huì )顯著(zhù)的降低最大信號速率和可靠性。

　　圖7給出了一些485接口通用外置失效保護電路，每個(gè)電路都盡力維持接收器輸入端電壓不小于最小臨界值并在一個(gè)或多個(gè)故障條件(開(kāi)路、空閑、短路)下，維持一個(gè)已知的邏輯狀態(tài)。在這些電路中，R2代表傳輸線(xiàn)阻抗匹配電阻，并成為電壓驅動(dòng)器的一部分：產(chǎn)生穩態(tài)偏置電壓。這里假設每個(gè)接收器代表1個(gè)單位負載。

　　圖7右半部分的表格中列出了一些典型電阻和電容值、提供的失效保護類(lèi)型、使用的單位負載個(gè)數和信號失真。在下一節中，會(huì )通過(guò)對短路失效電路中的電阻值計算，來(lái)說(shuō)明如何修改這些電阻值以便適用于特定設計。

　　圖7：外部485失效保護電路

　　要實(shí)現短路保護，需要更多的電阻。當電纜短路時(shí)，傳輸線(xiàn)阻抗變?yōu)榱?，終端匹配電阻也背短路。在接收器輸入端串聯(lián)額外的電阻可以實(shí)現短路失效保護。

　　圖8所示的額外電阻R3僅能用于驅動(dòng)器和接收器分離的場(chǎng)合?，F在的絕大部分485驅動(dòng)器和接收器都集成到一個(gè)芯片上(稱(chēng)之為收發(fā)器)，并且在內部連接到同一個(gè)總線(xiàn)上，這種收發(fā)器不可以使用短路失效保護。如果需要進(jìn)行短路保護，可以選擇內部集成短路保護的收發(fā)器或者使用驅動(dòng)器和接收器分離的器件，比如SN75ALS180。如果在收發(fā)器使用短路失效保護電路，則電阻R3會(huì )引起輸出信號額外的失真。驅動(dòng)器和接收器分離的器件SN75ALS180不會(huì )有這個(gè)問(wèn)題，因為驅動(dòng)器是直接連到總線(xiàn)上的，旁路掉了R3。

　　圖8：短路/開(kāi)路失效保護電路

　　下面對電阻值經(jīng)行計算。如果傳輸線(xiàn)短路，R2從電路中移除，則接收器輸入端電壓為：

　　VID= VCC * 2R3 / (2R1 + 2R3)

　　對于485應用，標準規定接收器可識別最低至200mV的輸入信號。因此當VID> VIT或者VID > 200mV，能夠確定一個(gè)已知狀態(tài)。這是第一個(gè)設計約束條件：

　　VCC* 2R3 / (2R1 + 2R3) > 200mV

　　當傳輸線(xiàn)上為高阻態(tài)時(shí)，接收器受到R1、R2和R3的影響，其輸入電壓為：

　　VID= VCC* (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3)

　　得到第二個(gè)設計約束條件：

　　VCC * (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3) > 200mV

　　傳輸線(xiàn)會(huì )受終端匹配電阻R2與兩倍的(R1+R3)并聯(lián)影響。傳輸線(xiàn)的特性阻抗Zo與之相匹配，這得到第三個(gè)設計約束條件：

　　Zo= 2R2 * (R1 + R3) / (2R1 + R2 +2R3)

　　其它設計約束條件包括由失效保護電路提供的額外線(xiàn)負載、由R3和R1引起的信號失真以及接收器輸入電阻。

　　注：SN75HVD10等3.3V 485收發(fā)器以及更新產(chǎn)品內部集成了短路/開(kāi)路失效保護電路。

　　2.4電流隔離

　　計算機和工業(yè)串行接口往往處于噪聲環(huán)境中，可能會(huì )影響數據傳輸的完整性。對于任何接口電路，經(jīng)過(guò)測試的可以改善噪聲性能的方法是電流隔離。

　　在數據通訊系統中，隔離是指多個(gè)驅動(dòng)器和接收器之間沒(méi)有直接電流流通。隔離變壓器為系統提供電源，光耦或數字隔離器件提供數據隔離。電流隔離可以去除地環(huán)流，抑制噪聲電壓。因此，使用這種技術(shù)可以抑制共模噪聲，降低其它輻射噪聲。

　　舉一個(gè)例子，圖9顯示了過(guò)程控制系統的一個(gè)節點(diǎn)，通過(guò)485鏈路連接數據記錄器和主計算機。

　　當臨近的電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)，數據記錄器和計算機的地電勢會(huì )出現瞬間不同，這通常會(huì )引起一個(gè)大電流。如果數據通訊沒(méi)有采用隔離方案，數據可能會(huì )丟失，更壞的情況下會(huì )損害計算機。

　　2.4.1電路描述

　　圖9所示的原理圖是分布式監視、控制和管理系統的一個(gè)節點(diǎn)，這種方案通常用于過(guò)程控制。數據通過(guò)一對雙絞線(xiàn)傳輸，地線(xiàn)使用屏蔽層。這類(lèi)應用常常需要低功耗，因為許多遠程分站使用電池或者要求有備用電池(電容停電后，需要設備能使用備用電池工作一定時(shí)間)。此外，使用低功耗計數，可以使用小型隔離變壓器。如圖9所示，收發(fā)器使用SN65HVD10，當然任何TI公司3.3V或5V RS485收發(fā)器、3.3-V TIA/EIA-644 LVDS或者3.3-V TIA/EIA-899 M-LVDS收發(fā)器都可以使用這個(gè)電路。

　　2.4.2操作原理

　　圖9所示的例子可用于3.3V或5V，電源使用變壓器隔離，數據信號采用數字隔離器隔離。因為485收發(fā)器需要隔離電源，可調LDO穩壓器必須被隔離?？梢允褂门c非門(mén)振蕩電路驅動(dòng)隔離變壓器實(shí)現這一功能。變壓器的輸出電壓經(jīng)過(guò)調整、濾波后，供低壓差線(xiàn)性穩壓器使用。在高EMI環(huán)境中，這種方法常用于預防其它遠距離供電子系統的噪聲耦合到主電源。TPS7101用于給其它電子元件供電，最多提供500mA電流。通過(guò)調節偏置電阻R7，TPS7101可輸出3.3V或5V，具體阻值見(jiàn)BOM清單。

　　數據信號隔離又三通道數字隔離器ISO7231M完成。該設備可以通過(guò)150Mbps信號速率，提供2.5KV(rms)電壓隔離和50KV/us瞬間放電保護。

　　圖9：3.3V或5V隔離485節點(diǎn)(左邊是大地地平面，右邊是隔離地平面)

　　表1：3.3V或5V隔離485節點(diǎn)BOM清單

　　3.過(guò)程控制設計舉例

　　為了獲得更多485系統設計知識，一個(gè)比較好的方法是看具體的例子?？紤]這樣一個(gè)系統：系統容量為1個(gè)主控制器、數個(gè)分站的工廠(chǎng)自動(dòng)化系統，每個(gè)分站都可以發(fā)送和接收數據。

　　系統特性如下所示，通用規格見(jiàn)圖10。

　　最遠分站距主控制器500米

　　31臺分站(加上主機共32臺設備)

　　信號傳輸速率為500 kbit/s

　　半雙工通訊

　　圖10：過(guò)程控制設計舉例

　　遵循485標準的設備以500 kbit/s傳輸數據，要求驅動(dòng)器輸出渡越(上升/下降)時(shí)間tt不能大于0.3個(gè)單位間隔時(shí)間(UI)，所以有：

　　tt≤ 0.3 * UI

　　tt≤ 0.3 * (1 /(500 * 103) ) = 600ns

　　如果電纜傳輸信號速度等于光在真空中的傳播速度，則信號傳輸延時(shí)tpd為3.33ns/m，乘以傳輸線(xiàn)長(cháng)度500米，為1667ns。

　　根據2.1節的公式可以確定傳輸線(xiàn)是分布式參數模型還是節點(diǎn)參數模型：若2tpd ≥ tt/5，則認為傳輸線(xiàn)為分布式參數模型。顯然，3334 > 120，所以本例的傳輸線(xiàn)模型為分布式參數模型。在工業(yè)環(huán)境中，這種傳輸線(xiàn)必須要終端匹配。

　　關(guān)于衰減，盡管信號速率為500 kbit/s的基本頻率為250 kHz，我們仍然按照500 kHz來(lái)計算衰減，這是因為信號中其實(shí)包含更高頻的部分。根據最大衰減不要超過(guò)-6dB的經(jīng)驗法則，要求500米電纜末端最大衰減小于-6dB，即0.36dB/30米。我們查看圖3所示的圖表，這是電纜廠(chǎng)商提供的衰減與頻率關(guān)系的圖表，500 kHz頻率對應的衰減為0.5dB/30米還要多一些，超過(guò)設計約束條件0.14dB/30米。在本例中這是允許的，因為稍微減少保守規則提供的噪聲容限是可以接受的。