電表應用中RS-485收發(fā)器的設計考慮

摘要：自動(dòng)抄表技術(shù)為電表提供一個(gè)通信端口，以電子方式遠程讀取數值。本應用筆記討論Maxim RS-485收發(fā)器的不同特性，這些特性使RS-485收發(fā)器非常適合用于電表通信端口。

自動(dòng)抄表技術(shù)在電表應用中越來(lái)越流行，該技術(shù)為電表提供通信端口讀取數據，而且大部分情況下采用遠程讀數方式。對于電表應用來(lái)說(shuō)既安全又節省了時(shí)間和金錢(qián)。實(shí)現該技術(shù)的關(guān)鍵是確保通信鏈路安全可靠，RS-485是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)而且可靠的通信規范，可理想用于自動(dòng)抄表系統。本文討論Maxim RS-485收發(fā)器的各種特性，這些特性使RS-485收發(fā)器成為電子式電能表的理想選擇。


圖1. 采用RS-485端口的電表結構圖

圖1所示為采用RS-485端口的電表結構圖，通過(guò)光耦合器和變壓器，端口與MCU和模擬前端之間實(shí)現了電氣隔離。隔離功能可有效保護電路不受RS-485傳輸線(xiàn)上浪涌電流的損害。

電纜斷開(kāi)時(shí)，A、B線(xiàn)的上拉和下拉電阻決定接收器的狀態(tài)。使用這些電阻能夠在電纜斷開(kāi)時(shí)使接收器輸出一直保持高電平，由此帶來(lái)很多益處。圖1系統中，IrDA電路有一個(gè)開(kāi)漏輸出，電纜斷開(kāi)時(shí)，如果RS-485收發(fā)器錯誤的將線(xiàn)路拉低，光耦合器輸出晶體管將會(huì )接通，使總線(xiàn)保持低電平，禁止開(kāi)漏IrDA模塊和MCU之間的任何通信連接。電纜斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出，系統可以在同一UART總線(xiàn)上使用其它開(kāi)漏輸出器件。

當RS-485總線(xiàn)與電力線(xiàn)(例如，220VAC)短路時(shí)，PTC和TVS可提供差模過(guò)壓保護。

反激變壓器的附加繞組為隔離電路供電，圖1中，反激轉換器有兩路輸出：第一路為MCU和模擬前端供電；第二路進(jìn)行電氣隔離，為RS-485端口供電。如果上述反激電源配合后備電池使用，MCU的供電電源(圖中的VCC)實(shí)際經(jīng)過(guò)了“二極管或操作”。這意味著(zhù)電池供電時(shí)，不存在隔離的isolated_VCC。因此，RS-485電路沒(méi)有“接通”，所以電表在斷電期間不能進(jìn)行通信，也無(wú)法通知已經(jīng)停電。

以下列出了Maxim RS-485收發(fā)器的特性，這些特性可以幫助提高并簡(jiǎn)化電表中RS-485端口的設計。關(guān)于支持這些特性的所有器件的詳細信息，請參考MAX3070E (3.3V)或MAX13085E (5V)數據資料。

失效保護 RS-485標準定義信號閾值的上下限為±200mV，但沒(méi)有規定電平范圍。在以下三種情況下，這會(huì )帶來(lái)一定的問(wèn)題：

1. 總線(xiàn)上的所有收發(fā)器都沒(méi)有工作，因此出現了高阻態(tài)。這意味著(zhù)總線(xiàn)上的終端電阻導致接收器輸入之間的差分電壓是0V。
2. RS-485總線(xiàn)出現短路，線(xiàn)路之間的電壓也會(huì )出現0V。
3. 出現開(kāi)路或沒(méi)有連接電表時(shí)，差分電壓也是0V，這是因為收發(fā)器本身在輸入之間具有高阻，迫使出現0V。

上述三種情況下，差分電壓均為0V，然而，RS-485規范定義0V是不確定電壓。這意味著(zhù)接收器輸出可以是高電平，也可以是低電平，甚至在高電平和低電平之間振蕩。Maxim的失效保護接收器規定接收器閾值在-50mV和-200mV之間，從而解決了這一問(wèn)題。這要比RS-485規定的閾值嚴格一些，因此也符合該規范。利用這一優(yōu)勢將0V差分電壓定義為已知狀態(tài)，避免了上述三種情況帶來(lái)的問(wèn)題。這樣，電表硬件工程師可以不必采用圖1所示的兩個(gè)偏置電阻。

擺率限制 由于大部分電表的數據速率在1kbps和19.2kbps之間，沒(méi)有必要采用很快的邊沿速率，因為這樣只會(huì )帶來(lái)不必要的輻射。通過(guò)控制RS-485收發(fā)器驅動(dòng)電路的邊沿速率，可以降低高頻輻射。較低擺率還降低了不恰當的終端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼(參見(jiàn)圖2和圖3)。


圖2. MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E傳輸125kHz信號時(shí)驅動(dòng)電路的輸出波形和FFT曲線(xiàn)

MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E沒(méi)有擺率限制，能夠支持更高的數據速率。然而，較高數據速率要求較快的邊沿速率，因而產(chǎn)生較大的高頻諧波。這些諧波增加了EMI輻射，也限制了系統對不恰當的終端匹配的承受能力。


圖3. MAX3483E/MAX3488E傳輸125kHz信號時(shí)驅動(dòng)電路的輸出波形和FFT曲線(xiàn)

MAX3483E和MAX3488E對擺率加以限制，因此，最大數據速率降至250kbps甚至更低，這對于電表應用已經(jīng)足夠了。擺率的降低也限制了高頻諧波，不但減小了EMI，而且解決了不恰當的終端匹配所帶來(lái)的問(wèn)題。

熱插拔 在多點(diǎn)系統中，例如RS-485，保證只有一個(gè)發(fā)送器工作非常關(guān)鍵。如果兩個(gè)或多個(gè)發(fā)送器處于工作狀態(tài)，將會(huì )出現總線(xiàn)競爭，導致誤碼。通過(guò)軟件可以部分解決總線(xiàn)通信中的誤碼問(wèn)題，但是硬件工程師應首先避免出現這些誤碼。Maxim的熱插拔特性解決了總線(xiàn)競爭時(shí)出現的兩種常見(jiàn)問(wèn)題：

1. 收發(fā)器在已經(jīng)工作的總線(xiàn)上首次上電。
2. 在已經(jīng)工作的系統中帶電插入收發(fā)器卡。

這兩種情況下，驅動(dòng)RS-485收發(fā)器的微控制器(μC)將重新復位。大量μC使其I/O口進(jìn)入三態(tài)。一旦軟件開(kāi)始運行，微處理器引腳將最終配置為合適的狀態(tài)。但在初始上電與引腳正確配置完成之間會(huì )出現問(wèn)題，主要問(wèn)題是，RS-485收發(fā)器的發(fā)送使能(DE)引腳將“看到”一個(gè)邏輯高電平。出現這一問(wèn)題是由于噪聲或漏電流將三態(tài)引腳上拉至高電平。

Maxim的熱插拔電路通過(guò)兩個(gè)步驟解決這一問(wèn)題。在第一個(gè)10μs期間，RS-485收發(fā)器上電，通過(guò)5kΩ電阻的600μA強下拉電流將DE引腳拉低，強下拉電流使DE引腳的所有電容放電。10μs后，采用100μA下拉電流保持邏輯低電平不受漏電流和噪聲的影響。在外部電源將DE引腳拉高之前，100μA的下拉電流將一直保持有效。一旦引腳出現高電平，關(guān)閉100μA電流源，RS-485收發(fā)器正常工作(參見(jiàn)圖4)。這一特性確保RS-485收發(fā)器的發(fā)送器為三態(tài)，避免總線(xiàn)競爭。


圖4. Maxim DE引腳的熱插拔電路簡(jiǎn)化框圖

增強ESD保護 ESD是所有半導體器件普遍存在的問(wèn)題，RS-485收發(fā)器也不例外。Maxim產(chǎn)品采用符號“E”表示器件具有增強的ESD保護，MAX3070E和MAX13085E能夠承受±15kV的人體模式(HBM)靜電沖擊。

隔離 MAX3535是單片隔離型、3.3V或5V供電RS-485收發(fā)器。包括容性隔離，集成了RS-485收發(fā)器，內部H橋接驅動(dòng)電路配合外部商用化變壓器，在16引腳SO封裝內實(shí)現了單片隔離的RS-485方案。由于不必在反激電源中采用額外繞組，也不必采用光耦合器，因此大大降低了設計難度。另外，由于MAX3535是自供電，當電表采用電池供電時(shí)，RS-485端口也能正常工作。MAX3535E還提供熱插拔、失效保護、ESD保護以及擺率限制等功能(圖5)。


圖5. MAX3535E的典型應用電路

電子式電表已經(jīng)生產(chǎn)多年，而自動(dòng)抄表則是最近一年出現的新增功能。Maxim的RS-485收發(fā)器有助于降低電表成本，提高可靠性，簡(jiǎn)化設計，實(shí)現電表的小型化。
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