如何簡(jiǎn)化工業(yè)PC接口

工業(yè)PC設計領(lǐng)域的小型化和更多通信功能趨勢推動(dòng)了現代總線(xiàn)收發(fā)器的發(fā)展。新型收發(fā)器因為集成度高、同時(shí)支持RS-232和 RS-485標準以及配置特性豐富，所以比傳統設計更受歡迎。

本文討論了業(yè)內最常用的RS-232和RS-485接口標準，介紹了雙協(xié)議收發(fā)器的功能和特性，并探討了包括工業(yè)PC在內的多協(xié)議應用實(shí)例。

RS-232標準

RS-232是一種僅針對點(diǎn)對點(diǎn)通信而定義的單端全雙工接口。這意味著(zhù)一個(gè)驅動(dòng)器連接到一個(gè)接收器，反過(guò)來(lái)也一樣，一個(gè)接收器連接到一個(gè)驅動(dòng)器。這種接口需要驅動(dòng)器和接收器接地之間具有地線(xiàn)連接，以便為信號發(fā)送和接收提供共同參考(圖1)。

圖1：?jiǎn)味它c(diǎn)對點(diǎn)數據鏈路

RS-232試圖通過(guò)使用高信號振幅來(lái)獲得抗噪性。該標準使用反邏輯，并規定邏輯0為+3V至+15V總線(xiàn)電壓，邏輯1為 -3V至-15V總線(xiàn)電壓(圖2)。+3V 至 -3V范圍的邏輯狀態(tài)未定。

圖2：RS-232信號電平(A)，從邏輯轉換為總線(xiàn)信號(B)，帶有集成電荷泵的RS-232收發(fā)器(C)

目前的大多數RS-232設計使用一個(gè)或兩個(gè)數據通道，每個(gè)通道包含一個(gè)發(fā)送和接收信號對。提供兩個(gè)通道的收發(fā)器能用一個(gè)通道發(fā)送數據，用另一個(gè)通道進(jìn)行信號交換控制。單通道器件必須求助于軟件流控制。

RS-232標準規定了最大信號速率(19.8kbps)和最大壓擺率(30V/µs)。但現代收發(fā)器能夠通過(guò)減小總線(xiàn)電壓振幅，支持高達1Mbps的數據速率而不違反壓擺率規范。盡管沒(méi)有具體規定，但最大電纜長(cháng)度一般限于30米左右。

RS-485標準

RS-485標準出現于上世紀80年代早期，在嘈雜環(huán)境中和遠距離實(shí)現穩健數據傳輸方面，一直保持著(zhù)顯著(zhù)更優(yōu)的標準的地位。該標準在兩條導線(xiàn)(A和B)的信號對上使用差分信號傳輸技術(shù)。按照該標準的規定，在施加54差分載荷時(shí)，兩條導線(xiàn)之間的差分總線(xiàn)電壓擺幅為最小1.5V。

圖3：包含菊鏈總線(xiàn)節點(diǎn)和端接線(xiàn)纜末端的典型RS-485網(wǎng)絡(luò )

RS-485支持通過(guò)多點(diǎn)總線(xiàn)拓撲連網(wǎng)多達32個(gè)單位載荷?？偩€(xiàn)節點(diǎn)通過(guò)雙絞線(xiàn)電纜以菊鏈方式(圖3)相互連接。推薦的120電纜特性阻抗要求在電纜兩端都有終端電阻，其阻值應與電纜阻抗匹配。

由于接收器輸入本質(zhì)上都參考地，所以驅動(dòng)器與接收器之間無(wú)需單獨的地線(xiàn)連接。這是在接收器輸入電壓不超過(guò)-7V 至 +12V的規定共模電壓范圍的情況下。

RS-485支持最長(cháng)4000英尺(1200米)電纜長(cháng)度和最大10Mbps數據速率，但并非同時(shí)支持。對于給定的數據速率，最大適用電纜長(cháng)度遵循保守的電纜長(cháng)度相對數據速率關(guān)系特征，如圖4所示。

圖4：RS-485電纜長(cháng)度相對數據速率關(guān)系特征

RS-485支持多點(diǎn)拓撲，其中每個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)均可發(fā)送或接收數據。多點(diǎn)總線(xiàn)分為半雙工和全雙工兩個(gè)類(lèi)型(圖5)。半雙工總線(xiàn)使用兩條跨線(xiàn)，其中一個(gè)節點(diǎn)可發(fā)送數據，另一個(gè)節點(diǎn)接收數據。全雙工總線(xiàn)使用兩個(gè)信號對(四條導線(xiàn))。一個(gè)信號對將主節點(diǎn)的驅動(dòng)器連接到多個(gè)從節點(diǎn)的接收器，另一信號對將從節點(diǎn)的驅動(dòng)器連接到主節點(diǎn)的接收器。該拓撲允許主節點(diǎn)向所有從節點(diǎn)廣播數據，或尋址一個(gè)特定從節點(diǎn)，同時(shí)接收來(lái)自從節點(diǎn)的數據(一次一個(gè)從節點(diǎn))。全雙工總線(xiàn)可增加數據吞吐量，但由于接線(xiàn)更麻煩，所以要比半雙工總線(xiàn)貴許多。

圖5：半雙工和全雙工多點(diǎn)總線(xiàn)拓撲

雙協(xié)議收發(fā)器

現代收發(fā)器能夠支持新工業(yè)PC的設計和RS-232至RS-485/RS-422接口轉換器的設計?，F有RS-232設備(如傳統PC、儀表設備和工業(yè)機器)需要上述轉換器，以便連接至單一網(wǎng)絡(luò )或進(jìn)行遠距離連接。

圖6顯示了一種雙協(xié)議收發(fā)器的電路圖。該器件包含兩個(gè)RS-232發(fā)送和接收通道以及一個(gè)全雙工RS-485收發(fā)器。請注意該收發(fā)器的直通式引腳分配，其一側是總線(xiàn)引腳，另一側是邏輯引腳。這允許輕松布置通向本地控制器的信號跡線(xiàn)，與傳統收發(fā)器相比有很大的優(yōu)勢(如圖3所示)，因為傳統收發(fā)器的引腳分配要求從總線(xiàn)到控制器側的信號跡線(xiàn)交叉，反之亦然。

圖6：包含一個(gè)RS-485和兩個(gè)RS-232收發(fā)器的雙協(xié)議收發(fā)器

當獨立操作總線(xiàn)系統時(shí)，每個(gè)RS-232端口可支持最大400kbps數據速率，且不會(huì )超過(guò)規定最大壓擺率。

RS-485允許通過(guò)/SLOW485引腳選擇20Mbps高速模式和115kbps壓擺率限制模式。在高速模式下，驅動(dòng)器輸出無(wú)壓擺率限制。這種模式僅應在傳輸距離短于100英尺(30米)時(shí)使用。另外，高速模式還需要在電纜兩端使用終端電阻器，且電阻器的阻值必須匹配120Ω(RS-485電纜)或100Ω(五類(lèi)線(xiàn))的電纜特性阻抗。

現代收發(fā)器必須能在低供電電壓下高效工作，這是通過(guò)優(yōu)化電荷泵設計實(shí)現的。圖6中的電荷泵可建立用于RS-232驅動(dòng)器的雙極電源(V+, V-)，只需要四個(gè)小的0.1μF電容器。其中兩個(gè)電容器用于實(shí)際電荷泵操作，將初始3.3V 電壓(Vcc)轉換為+5V ( V+ )和 -5.3V(V-)。另兩個(gè)電容器用于緩沖V+ 和 V-，以確保開(kāi)關(guān)操作期間為RS-232驅動(dòng)器提供充足的供電電流。

總收發(fā)器供電電流已經(jīng)小于4mA，通過(guò)使整個(gè)芯片進(jìn)入關(guān)斷模式還可以節省更多電能。這是通過(guò)將/SHDN引腳拉到邏輯低態(tài)而實(shí)現的。在關(guān)斷模式下，電荷泵停止工作，其余供電電流僅由流入邏輯輸入端的漏電流組成。因此，總漏電流取決于器件配置，但可低至40μA。

當通過(guò)將/SHDN調到邏輯高態(tài)重新啟用器件時(shí)，電荷泵最多需要25微秒來(lái)達到穩定狀態(tài)。在此期間不能進(jìn)行RS-232通信。由于電荷泵不為RS-485收發(fā)器供電，RS-485通信可在/SHDN調到邏輯高態(tài)2微秒后開(kāi)始。這個(gè)時(shí)間遠遠快于在所有工作模式下都需要使用電荷泵的傳統收發(fā)器。

多協(xié)議應用

將一個(gè)RS-485和兩個(gè)RS-232收發(fā)器集成為一個(gè)IC，可極大提高工業(yè)PC接口設計的多用途性，因為這樣本地控制器可獨立驅動(dòng)許多總線(xiàn)系統或充當接口轉換器，如圖7所示。當用作RS-232至RS-485轉換器時(shí)，通道1和/或通道2的RS-232信號可轉換為邏輯電平，然后通過(guò)RS-485總線(xiàn)發(fā)送。通過(guò)使用地址編碼，RS-485鏈路兩端的控制器能夠區分兩個(gè)RS-232數據流。

圖7：通過(guò)RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設備

為通過(guò)遠距離點(diǎn)對點(diǎn)鏈路延長(cháng)兩個(gè)RS-232接口之間的數據鏈路，雙協(xié)議收發(fā)器配置為獨立的RS-232至RS-485轉換器。這種情況下需要兩個(gè)轉換器(電纜兩端各一個(gè))，以便將RS-485總線(xiàn)信號轉換為RS-232數據，反之亦然。該配置比較簡(jiǎn)單，因為針對驅動(dòng)器和接收器的啟用輸入可通過(guò)固定導線(xiàn)連接至其各自的電壓軌，使收發(fā)器持續處于活躍狀態(tài)(圖8A)。

圖8：通過(guò)RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設備

在全雙工RS-485總線(xiàn)上連網(wǎng)多個(gè)RS-232設備需要對從節點(diǎn)中的轉換器進(jìn)行輕微的配置變更。主節點(diǎn)(PC)中的驅動(dòng)器和接收器可一直保持活躍狀態(tài)，從節點(diǎn)中的接收器也同樣可以。但必須嚴密控制從節點(diǎn)中的接收器，以防有兩個(gè)或更多從節點(diǎn)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。為此，需要使用第二個(gè)RS-232通道的驅動(dòng)器利用RTS流控制信號來(lái)啟用和禁用RS-485驅動(dòng)器(圖8B)。請注意，在轉換器內部 ，RTS必須返回到控制器的CTS輸入。這稱(chēng)為零調制解調器(null-modem)配置。

圖9：通過(guò)RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設備

在半雙工RS-485總線(xiàn)上連網(wǎng)多個(gè)RS-232設備需要圖9A所示的配置。在此配置中，RTS信號負責控制驅動(dòng)器和接收器的啟用功能。所有節點(diǎn)(包括主節點(diǎn)和從節點(diǎn))都需要此配置，因為半雙工總線(xiàn)一次只能沿一個(gè)方向發(fā)送數據。

在有些設備中，RTS和CTS控制信號可與待發(fā)送數據存在最大10毫秒的不同步。在此情況下，最好使啟用信號為數據驅動(dòng)式信號。這是通過(guò)在驅動(dòng)器輸入(DI)和啟用引腳(DE485和 /RE485)之間實(shí)施逆變器功能而實(shí)現的。這會(huì )在DI = 邏輯低態(tài)時(shí)使收發(fā)器處于發(fā)送模式，在DI = 邏輯高態(tài)時(shí)處于接收模式。在接收模式下，驅動(dòng)器輸出具有高阻抗，低阻抗終端電阻器可將總線(xiàn)電壓減小至0V。由于RS-485接收器是完全防故障(full-failsafe)的器件，總線(xiàn)上的所有雙協(xié)議收發(fā)器會(huì )在接收器輸入端(RO)指示零總線(xiàn)電壓為邏輯高態(tài)。因此，在低態(tài)有效和高阻抗之間切換驅動(dòng)器輸出，仍然會(huì )在另一個(gè)接收器的輸出端產(chǎn)生從低到高的轉換。

結論

由于具有高集成度、同時(shí)支持RS-232和RS-485協(xié)議、可編程數據速率和省電配置等特性，現代雙協(xié)議收發(fā)器可簡(jiǎn)化工業(yè)接口的設計。為支持系統工程師的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計，Intersil提供了廣泛的固定和可編程、單通道和雙通道、多協(xié)議收發(fā)器。