利用3.3V供電RS485接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信

一、前言

在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中，通常使用串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。最初的RS232接口，由于外界應(yīng)用環(huán)境等因素，經(jīng)常因電氣干擾而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤。除此之外，RS232接口只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，而且其最大傳輸距離僅有15米，不能滿足遠(yuǎn)距離通訊要求。RS485則解決了這些問(wèn)題，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，最大傳輸距離約為1219米，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上。

考慮到節(jié)能、低功耗等原因，系統(tǒng)電壓由傳統(tǒng)的5V轉(zhuǎn)為3.3V，因此3.3V供電的RS485接口應(yīng)運(yùn)而生。

二、RS-485標(biāo)準(zhǔn)概述

RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將A-A與B-B對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)線路A高于線路B電平(VA-VB>+200mV)時(shí)，接收端輸出為邏輯高電平(RO=1);當(dāng)線路A低于線路B電平(VA-VB<-200mV)時(shí)，接收端輸出為邏輯低電平(RO=0)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸入端邏輯電平為高(DI=1)時(shí)，線路A電平高于線路B電平;當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的輸入端邏輯電平為低(DI=0)時(shí)，線路A電平低于線路B電平。見(jiàn)圖1。

三、低壓RS-485網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、共模干擾

RS-485 接口采用差分方式傳輸信號(hào)，一般收發(fā)器能夠承受的共模電壓范圍為-7V至+12V，一旦共模電壓超出此范圍，將會(huì)影響通信的可靠性，甚至損壞接口。由于每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有獨(dú)立的地回路，在遠(yuǎn)距離通信條件下，系統(tǒng)間的地電位差VGPD將會(huì)很大。發(fā)送器的輸出共模電壓為VOC,那么接收器輸入端的共模電壓VCM=VOC+VGPD，RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOC小于等于3V，但VGPD的幅度可達(dá)十幾伏甚至數(shù)十伏，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，導(dǎo)致接收器的共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流。解決此類問(wèn)題的方法是：

a、通過(guò)帶隔離的DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，如圖2所示;

b、通過(guò)光耦將信號(hào)隔離，減小共模電壓的影響。

采用該方法時(shí)，總線收發(fā)器的信號(hào)線和電源線與本地信號(hào)的電源是相互隔離的。

2、光耦隔離電路

光耦往往是限制通信數(shù)據(jù)波特率的主要因素，對(duì)于低速傳輸，可采用PS250、TIL117等。在高速電路設(shè)計(jì)中，可以考慮采用6N137、6N136等高速光耦，優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計(jì)。光耦隔離示意圖如圖3所示。圖3中，電阻R3、R4如果選取得較大，將會(huì)使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和狀態(tài)的速度變慢;如果選取得過(guò)小，退出飽和將會(huì)變慢。不同型號(hào)的光耦及驅(qū)動(dòng)電路，使得這兩個(gè)電阻的數(shù)值略有差異，阻值的選取通常由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

圖3：光耦隔離示意圖

3、端接電阻

RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會(huì)發(fā)生反射。數(shù)據(jù)的傳輸速率較低或者通訊距離較近時(shí)，反射持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)接收的邏輯電平?jīng)]有影響，可以不用終端匹配。相反，如果數(shù)據(jù)的傳輸速率高或者通訊距離較遠(yuǎn)時(shí)，反射持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則需要對(duì)總線進(jìn)行終端匹配。

那么究竟在怎樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長(zhǎng)度時(shí)需要進(jìn)行總線匹配呢?一條經(jīng)驗(yàn)性的原則是：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間(上升或下降時(shí)間)超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)無(wú)需進(jìn)行終端匹配。

終端匹配有以下兩種方案：

a、電阻匹配，在RS-485總線電纜的始端和末端都并接終端電阻。端接電阻取120Ω，與雙絞線電纜特性阻抗匹配。該方案比較簡(jiǎn)單，目前最為普遍。如圖4所示。該方案的弊端在于，匹配電阻對(duì)功率消耗較大，不太適合對(duì)功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)。

圖4：端接電阻示意圖

b、RC匹配，在總線直接串聯(lián)一個(gè)電阻和電容。容值的選取與信號(hào)的傳輸速率有關(guān)，電路連接方式如圖5。由于電容的存在，減少了大部分的功率損耗，同時(shí)也影響了信號(hào)的傳輸速率。因此，容值的選取就顯得比較關(guān)鍵。

圖5：RC匹配示意圖

4、故障保護(hù)

RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)所有的收發(fā)器都工作在接收模式時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)。此時(shí)總線上的差分電壓VA-VB=0，接收器輸出處于未定義狀態(tài)，從而導(dǎo)致UART接收錯(cuò)誤信息。除此之外，總線的斷路、短路故障，都會(huì)造成UART上接收到錯(cuò)誤信息。為了避免出現(xiàn)以上錯(cuò)誤，在總線上放置上、下拉電阻。圖6為總線偏置電路。電阻R1、R2的選擇可根據(jù)下列計(jì)算方法得出，R1=R2=R，RT=120Ω(由于總線上終端和起始端各有1個(gè)120Ω終端電阻，所以RT0取值60Ω)，VA-VB=Vcc*RT/(2R+RT0)，應(yīng)滿足VA-VB>200mV，低壓傳輸時(shí)，取Vcc=3.3V，那么R=465Ω。

5、瞬態(tài)保護(hù)

實(shí)際應(yīng)用中，RS-485總線上經(jīng)常會(huì)遇到雷擊、靜電、電源波動(dòng)等情況，由于傳輸線對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于電感，因此對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾，接地線等同于開(kāi)路。瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)可能會(huì)引起通信接口器件的損壞。通常情況下，會(huì)采取旁路保護(hù)方法，如圖7所示。

由于旁路保護(hù)方法是將瞬變能量釋放到地回路，因此必須要有良好的接地。對(duì)于高速信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)考慮保護(hù)器件容值和線路間容值對(duì)信號(hào)延時(shí)的影響。

四、使用RS485接口時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1、UART電平

隨著MCU等平臺(tái)電平的降低，接口電平低壓化趨勢(shì)明顯。上海英聯(lián)電子的UM3483/UM3486采用CMOS接口電平，兼容2.8V、3.3V接口電平。同時(shí)，為了增加抗干擾能力，對(duì)輸入口的邏輯電平做了閾值滯環(huán)處理。

2、EMI干擾

RS-485信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會(huì)發(fā)生反射，形成天線向外輻射。UM3483具有低擺率驅(qū)動(dòng)器，能夠減小EMI和由于不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配所引起的反射，并能夠在接收端提供良好的信號(hào)信噪比。

3、失效保護(hù)

傳統(tǒng)的RS-485接收器門(mén)限為±200mV，當(dāng)總線上的差分電壓VA-VB介于±200mV之間時(shí)，接收器的輸出狀態(tài)不確定。UM3483/UM3486內(nèi)置真故障安全接收器輸入，將接收門(mén)限移到-200mV/-50mV，解決了總線短路、空閑等情況下的失效保護(hù)問(wèn)題。可省去外部的偏置電阻，同時(shí)內(nèi)部的接收閾值做了滯環(huán)處理，增加了接收器的抗干擾能力。

4、單位負(fù)載

RS-485接收器額定的輸入阻抗為大于或等于12kΩ，該值為1個(gè)單位負(fù)載(UL)。如果一個(gè)RS-485接收器額定具有1/8個(gè)UL，則總線可連接8倍數(shù)量的這種接收器。UM3483/UM3486的輸入阻抗為96kΩ，總線可連接多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

5、ESD保護(hù)

由于RS-485的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常受到靜電和瞬態(tài)電壓等干擾。目前半導(dǎo)體常用的ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2(空氣放電模式)、IEC61000-4-2(接觸放電模式)和人體放電模式，用于評(píng)價(jià)器件的防靜電能力。UM3483/UM3486芯片內(nèi)部集成了ESD保護(hù)電路，人體放電模式、空氣放電模式均達(dá)到±15kV，接觸放電模式達(dá)到±8kV。

6、電壓倒灌

如果RS485接口芯片電源掉電，但I(xiàn)/O口(A、B、/RE、DE、DI、RO)有輸入電壓時(shí)，一旦芯片沒(méi)有該項(xiàng)功能，會(huì)在VCC管腳上建立起不穩(wěn)定的電壓，從而導(dǎo)致芯片處于無(wú)法預(yù)期的工作狀態(tài)，吸收總線上的電流，向總線亂發(fā)數(shù)據(jù)，引起通信的異常和終端功能混亂。UM3483/UM3486具有防止電壓倒灌功能，在此種情況下，保證VCC管腳電壓為0，保證芯片處于關(guān)閉狀態(tài)。