RS-485網(wǎng)絡(luò )設計降低功耗問(wèn)題

RS-485網(wǎng)絡(luò )的功率損耗

　RS -485網(wǎng)絡(luò )中許多數據采集或收集器屬于小型、手持式、電池供電設備，因此必須采取省電措施，以延長(cháng)這些設備的電池壽命。靜態(tài)電流（IQ）是反映收發(fā)器功率消耗大小的一個(gè)重要指標，新型RS-485收發(fā)器的IQ已減小許多。表1把工業(yè)標準的雙極性收發(fā)器75176與各種低功耗、CMOS收發(fā)器的靜態(tài)電流進(jìn)行了對比。

　當一個(gè)標準的RS-485收發(fā)器外掛最小負載：一個(gè)RS-485收發(fā)器、兩個(gè)匹配電阻、兩個(gè)失效保護電阻時(shí)，就可以測量其電源電流隨數據速率變化的關(guān)系曲線(xiàn)。圖2為MAX1483的電源電流ICC與數據速率的關(guān)系，測試條件為：外接電阻560Ω/120Ω/560Ω（如圖1所示），VCC=5V，DE= /RE=VCC，電纜長(cháng)度100英尺。從圖2可以看出：即使數據速率很低，電源電流也增大到將近37mA，這主要是由于引入了匹配電阻和失效保護電阻所致。下面將討論采用不同的匹配方式及失效保護措施在低功耗應用中的重要性。


失效保護

　眾所周知，當RS-485接收器輸入端電壓介于-200mV～+200mV時(shí)，輸出處于不確定狀態(tài)。即：如果半雙工結構RS-485收發(fā)器的差分輸入電壓為 0V、而線(xiàn)上又無(wú)其它驅動(dòng)器使能或由于連接不好導致輸出開(kāi)路，則該接收器既可能輸出邏輯1也可能輸出0，而且幾率相同。為了保證在上述錯誤情況下輸出一個(gè)確定值，大多數RS-485收發(fā)器都需要外接失效保護電阻：其中在線(xiàn)A接上拉電阻，線(xiàn)B接一下拉電阻，如圖1所示。以往在大多數方案中，該失效保護電阻選取560Ω，不過(guò)為了減小功耗，有人將該失效保護電阻增大到將近1.1kΩ(當只需要一端匹配時(shí))。部分設計工程師則采用1.1kΩ～2.2kΩ的電阻在電纜兩端進(jìn)行匹配，增大該電阻雖然減小了電流消耗，但卻降低了系統抗干擾能力。為了避免采用外部偏置電阻，RS-485收發(fā)器生產(chǎn)廠(chǎng)商首先在芯片內部給接收器提供偏置電阻（上拉或下拉），不過(guò)它僅在檢測輸出開(kāi)路時(shí)有效。對于終端匹配電纜，由于這類(lèi)“偽”失效保護收發(fā)器內置的上拉電阻比匹配電阻大幾個(gè)數量級，上拉效果很微弱，因此還是難以使接收器輸出一個(gè)確定值。通常這種內置失效保護電阻的收發(fā)器僅對不需要終端匹配的電纜有效。因此其它一些廠(chǎng)商又試圖把接收器門(mén)限范圍變?yōu)?～-0.5V，但這違背了RS-485標準。MAXIM公司開(kāi)發(fā)的MAX3080、MAX3471系列產(chǎn)品很好地解決了上述兩個(gè)問(wèn)題。這類(lèi)收發(fā)器通過(guò)定義一個(gè)更精確的接收器門(mén)限范圍：-50mV～+200mV，省去了偏置電阻，同時(shí)又不違背RS-485標準。當接收器輸入0V電壓時(shí)，它們保證輸出邏輯“高”電平。進(jìn)一步講，當發(fā)生開(kāi)路或短路情況時(shí)，這些接收器能夠保證輸出一種確定值。

降低功率損耗的幾種措施

　如表1所示，不同的收發(fā)器汲取的靜態(tài)電流可能有很大差別，因此，省電設計首先應該選擇低功耗器件，譬如MAX3471（當發(fā)送關(guān)閉時(shí)，僅消耗2.8μA電流，數據速率可達64kbps）。由于數據發(fā)送期間收發(fā)器的功耗增加，因此節省功耗的第二步就是通過(guò)軟件實(shí)現短碼發(fā)送數據，使收發(fā)器長(cháng)時(shí)間處于接收狀態(tài)，使發(fā)送占空比最短。典型的串行發(fā)送數據結構如表2所示。一個(gè)掛接單位負載（32個(gè)可尋址器件）的RS-485系統包含下列各位：5位地址位、8位數據位、起始位（全幀）、停止位（全幀）、奇偶校驗位（可選擇）、循環(huán)碼校驗位（CRC，可選擇），因此其發(fā)送數據的最短長(cháng)度為20位。然而，在實(shí)際應用中，基于信息發(fā)送的安全性考慮，還必須發(fā)送附加信息，諸如數據長(cháng)度、發(fā)送地址、方向等等，結果使得碼長(cháng)可能增長(cháng)到255個(gè)字節（即2040位）。

　通過(guò)增加碼長(cháng)可以增強數據發(fā)送安全性，但它卻是以占用總線(xiàn)時(shí)間和消耗更多功率為代價(jià)。當以200kbps速率來(lái)傳送20位的數據時(shí)，需要占用100(s的時(shí)間。如果采用MAX1483，以200kbps速率，每秒發(fā)送一次，則MAX1483消耗的平均電流為：

(100μs*×53mA +(1s-100μs)×20(A)/1s = 25.3μA.

　當收發(fā)器處于空閑模式時(shí)，必須關(guān)閉它的驅動(dòng)器以使功率消耗最低。表3以MAX1483為例給出了碼長(cháng)與RS-485接口電流消耗之間的關(guān)系。當然，對于采用定時(shí)循檢技術(shù)或在兩次發(fā)送期間有較長(cháng)固定休眠時(shí)段的系統，可以通過(guò)關(guān)閉收發(fā)器進(jìn)一步限制功率消耗。

　 除了從軟件方面考慮之外，硬件電路也為降低功耗提供了很大的余地。圖3比較了當收發(fā)器使能、在1000英尺長(cháng)的電纜發(fā)送方波信號時(shí)，各種不同的器件消耗電流的大小。其中75ALS176和MAX1483在總線(xiàn)每一端均采用標準的560Ω/120Ω/560Ω電阻匹配網(wǎng)絡(luò )，而“失效保護”器件MAX3080 和MAX3471在總線(xiàn)每端僅采用了一個(gè)120Ω的匹配電阻。由圖可見(jiàn)，消耗的電源電流變化范圍很大，選擇具有失效保護功能的低功耗器件，可將功耗降低許多。

　終端電阻可以消除因阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射干擾，不過(guò)其代價(jià)是消耗功率，為降低功耗，在匹配技巧方面可采取以下措施：

1）、無(wú)終端電阻

　 減小功耗的第一種辦法就是取消終端匹配電阻。不過(guò)這種方案只適合短距離、低速率傳輸，保證在數據信號達到接收器之前反射信號消失。根據經(jīng)驗，如果信號的上升時(shí)間至少比信號在電纜通道單方向傳輸延遲時(shí)間長(cháng)3倍，則可以采用不加終端電阻的方法。利用該準則，按照下列步驟，可以計算出不加終端匹配電阻時(shí)，電纜的最大長(cháng)度。

第一步：首先查找到信號在電纜中傳輸速率（通常由電纜廠(chǎng)商提供），該參數以光速（真空中，c=3×108）的百分比表示。對于標準的絕緣型PVC電纜（內部為24號AWG雙絞線(xiàn)）其典型速率為8英寸/ns。

第二步：對于RS-485收發(fā)器，從其產(chǎn)品資料查找出最小的上升時(shí)間（tr min）。例如，MAX3471的上升時(shí)間為750ns。

第三步：將最小上升時(shí)間除以4。對于MAX3471，有：tr min/4=750/4=187.5ns。

第四步：計算不需要采用匹配電阻時(shí)，能可靠傳輸信號的電纜最大長(cháng)度：187.5ns/8英寸/ns=125英尺

　因此，MAX3471在125英尺無(wú)電阻匹配的電纜中以64kbps速率收發(fā)數據時(shí)，可以保持良好的傳輸性能。圖4說(shuō)明了當用100英尺長(cháng)無(wú)電阻匹配電纜替換1000英尺長(cháng)具有兩個(gè)120Ω終端匹配電阻的電纜后，MAX3471的功耗大大減小。

2）、肖特基二極管“匹配”

　當受到功耗限制時(shí)，肖特基二極管提供了另外一種終端連接方法。與前面介紹的方法不同的是，它并不打算與電纜線(xiàn)匹配，而是簡(jiǎn)單地把反射信號引起的過(guò)壓或欠壓信號進(jìn)行鉗位。其結果是，總線(xiàn)或接收器輸入端電壓信號被限制在VCC+VFD（二極管正向導通電壓）或GND-VFD范圍內。由于肖特基二極管僅在電壓過(guò)沖時(shí)起作用，因此它們消耗很少一點(diǎn)能量。相反，采用電阻匹配時(shí)（無(wú)論加不加失效保護電阻）都一直在消耗電流。圖5為利用肖特基二極管消除反射的連接方式。雖然該終端連接法不具有失效保護功能，但如果選用了如MAX3080、MAX3471這類(lèi)收發(fā)器可以實(shí)現上述功能。

　在眾多類(lèi)型的二極管中，肖特基二極管特性最接近理想二極管，但是，肖特基二基管“匹配”法并不能消除RS-485/422系統中所有的反射信號。因為一旦反射信號減弱到低于二極管正向導通電壓，其能量就不再受終端二極管的影響，且會(huì )一直在電纜中存在，直到其能量被電纜消耗盡為止。采用肖特基二極管終端連接法的另一個(gè)缺陷是成本問(wèn)題。由于每根終端線(xiàn)需要兩個(gè)二極管，而RS-485/422總線(xiàn)采用差動(dòng)方式，因此需要的二極管數目還要再加倍，使系統成本提高。

結語(yǔ)

　在高速、長(cháng)距離通訊的RS-485系統中，由于需要終端匹配電阻，因此很難實(shí)現低功耗。如果采用具有“失效保護”功能的收發(fā)器，可節省功耗；另外依靠軟件對數據通訊結構優(yōu)化，讓發(fā)送器在數據發(fā)送完畢之后進(jìn)入關(guān)閉模式或關(guān)閉驅動(dòng)器能進(jìn)一步減小功率消耗。