RS422／RS485總線(xiàn)模型分析與應用

　　0 引言

　　RS422／RS485總線(xiàn)接口作為多點(diǎn)、差分數據傳輸的電氣規范，現已成為業(yè)界應用較為廣泛的標準通信接口之一。RS422／RS485標準只對接口的電氣特性做出了規定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，因此，用戶(hù)可在此基礎上建立自己的高層通信協(xié)議。

　　1 基本原理

　　RS422／RS485標準的全稱(chēng)為T(mén)IA／EIA-422-B和TIA／EIA-485串行通信標準。它們的數據信號均采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸。這兩者在電氣特性上非常接近，不同之處只是傳輸方式的不同。

　　RS485的典型工作方式如圖1所示。RS485典型的驅動(dòng)器使用一對雙絞線(xiàn)，并將其中的一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B。兩線(xiàn)工作時(shí)采用半雙工通信方式，其工作狀態(tài)(發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài))由使能控制信號決定。

　　一般情況下，驅動(dòng)器的A、B間的正電平電壓為+2～+6 V時(shí)代表一個(gè)邏輯狀態(tài)；A、B之間的負電平在-6～-2 V時(shí)代表另外一個(gè)邏輯狀態(tài)。另外還有一個(gè)信號地C。事實(shí)上，在很多情況下，都會(huì )忽視信號地的連接。這里建議采用經(jīng)過(guò)處理的低阻通路把信號地連接起來(lái)，以增加其共?？垢蓴_能力并減少電磁輻射。“使能”控制信號E用于驅動(dòng)器與傳輸線(xiàn)的切斷和連接，當ENABLE起作用時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)作“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。

　　接收器與驅動(dòng)器的規定相似，其收、發(fā)端均可通過(guò)平衡雙絞線(xiàn)將A-A與B-B對應相連。當接收端A、B之間有大于+200 mV的電平時(shí)，輸出為正邏輯電平；小于-200 mV時(shí)，輸出為負邏輯電平。在接收器的接收平衡線(xiàn)上，電平范圍通常是在200 mV～6 V之間。

　　一般可定義邏輯1(正邏輯電平)為B>A的狀態(tài)，邏輯0(負邏輯電平)為A>B的狀態(tài)，A、B之間的壓差不小于200 mV。

　　RS485的四線(xiàn)工作狀態(tài)和RS422的四線(xiàn)工作狀態(tài)基本一致，從物理的角度上講，RS422相當于兩個(gè)RS485同時(shí)工作，一個(gè)工作于接收狀態(tài)，一個(gè)工作于發(fā)送狀態(tài)。

　　2 信號分析

　　根據以上說(shuō)明，這里對RS422／RS485的傳輸特性建立一個(gè)信號分析模型，因為RS485更具有代表性，所以采用RS485作為分析對象。RS485是典型的信號處理標準，其傳遞函數模型如圖2所示。

　　根據圖2規范設計定義域時(shí)，D可代表微處理器輸出的數字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；Dr代表微處理器接收的數字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；E，EN為使能信號。驅動(dòng)器和接收器與傳輸線(xiàn)的連接關(guān)系(高電平或者低電平有效控制)存在兩種情況：定義ENABLE為連接有效狀態(tài)，DISABLE為未連接狀態(tài)，取值空間為{ENABLE，DISABLE}。在RS485通信標準中，一般情況下，E、EN若一個(gè)有效則另一個(gè)禁止，而RS422則兩個(gè)均為有效；A，B為驅動(dòng)器與傳輸線(xiàn)的接口電壓，其規范定義為(-6V，+6V)；Ar，Br為接收器與傳輸線(xiàn)接口的電壓。為了實(shí)現RS422／RS485的接口兼容，這里應定義為(-7V，+10V)。實(shí)際上，驅動(dòng)器傳遞函數定義中有四種可滿(mǎn)足RS485通信標準的情況：

　　D=1，E=DISABLE時(shí)，輸出A，B狀態(tài)為未定；

　　D=0,E=DISABLE時(shí)，輸出A，B狀態(tài)為未定；

　　D=1，E=ENABLE時(shí)，輸出B-A>2V，且A，B∈(6V，+6V)；

　　D=0，E=ENABLE時(shí)，輸出A-B>2V，且A，B∈(6V，+6V)。

　　所以，能夠實(shí)現上面傳遞函數的所有電路均可作為RS485的驅動(dòng)器參考設計，當然，還需要滿(mǎn)足其輸入輸出特性。

　　從接收器傳遞函數的定義可以把接收器分成兩類(lèi)，其一是EN=DIABLE，這相當于驅動(dòng)器沒(méi)有掛載在總線(xiàn)上(可以認為不存在)。其二是EN=ENABLE，此時(shí)又存在兩種正常工作情況，一是輸出Dr=1時(shí)，Br-Ar>200 mV；二是輸出Dr=0時(shí)，Ar-Br>200 mV。

　　為了滿(mǎn)足接收器正常工作的需要，操作時(shí)還需要考慮以下幾種情況：

　　(1)Ar、Br的電壓范圍應該嚴格限制在-7～10V，否則可能損壞器件。一般采用穩壓的二極管網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現電壓的限制。

　　(2)當|Ar-Br|<200 mV時(shí)，接收器數據的判別。一般可采用電阻網(wǎng)絡(luò )，將Ar通過(guò)10 kΩ的電阻接在VCC上，而將Br通過(guò)10 kΩ的電阻接在GROUND上，這樣，當總線(xiàn)上沒(méi)有信號傳輸的時(shí)候，即可保持Ar的電平為3.2 V左右，Br的電平大約為1.6 V，這樣，即使有干擾信號，也很難產(chǎn)生串行通信的其始信號0。

　　(3)一般情況下，為了減少線(xiàn)路上傳輸信號的反射，可在RS422總線(xiàn)電纜的遠端并接1個(gè)100Ω電阻，并應在RS485網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)的始端和末端各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻。

　　3 工程實(shí)現

　　根據以上分析，這里給出一個(gè)RS422／RS485兼容的實(shí)際應用電路，其具體電路如圖3所示。

　　圖3電路中采用的芯片為MAX491ESD。當用MAX491ESD進(jìn)行RS422通信時(shí)，應把跳線(xiàn)帽安裝在JP2的管腳2和管腳1上，JP1和JP3跳線(xiàn)帽去掉；而當其作為RS485通信的時(shí)候，則應把跳線(xiàn)帽安裝在JP2的管腳2和管腳3上，JP1和JP3加上跳線(xiàn)帽，從而構成兩個(gè)節點(diǎn)的RS485網(wǎng)絡(luò )。穩壓管D1，D2的作用是把A的電壓牢牢限制在-7V～+12V，以有效保護RS422／RS485網(wǎng)絡(luò )。增加D3和D8的目的主要是為了防止浪涌電壓。這個(gè)實(shí)際電路是以信號分析模型作為指導的依據建立起來(lái)的，可以在實(shí)際的測試和運行中滿(mǎn)足預期要求。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文從信號處理的角度分析了RS422／RS485網(wǎng)絡(luò )的硬件構成，并將其抽象為一個(gè)信號處理分析模型，從而給出相應的傳遞函數和定義域。