RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集或收集器屬于小型、手持式、電池供電設(shè)備，因此必須采取省電措施，以延長(zhǎng)這些設(shè)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(biāo)，新型RS-485收發(fā)器的IQ已減小許多。表1把工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比。

當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485收發(fā)器外掛最小負(fù)載：一個(gè)RS-485收發(fā)器、兩個(gè)匹配電阻、兩個(gè)失效保護(hù)電阻時(shí)，就可以測(cè)量其電源電流隨數(shù)據(jù)速率變化的關(guān)系曲線。圖2為MAX1483的電源電流ICC與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系，測(cè)試條件為：外接電阻560Ω/120Ω/560Ω（如圖1所示），VCC=5V，DE= /RE=VCC，電纜長(zhǎng)度100英尺。從圖2可以看出：即使數(shù)據(jù)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(hù)電阻所致。下面將討論采用不同的匹配方式及失效保護(hù)措施在低功耗應(yīng)用中的重要性。


失效保護(hù)

　眾所周知，當(dāng)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(jié)構(gòu)RS-485收發(fā)器的差分輸入電壓為 0V、而線上又無(wú)其它驅(qū)動(dòng)器使能或由于連接不好導(dǎo)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?guī)茁氏嗤?。為了保證在上述錯(cuò)誤情況下輸出一個(gè)確定值，大多數(shù)RS-485收發(fā)器都需要外接失效保護(hù)電阻：其中在線A接上拉電阻，線B接一下拉電阻，如圖1所示。以往在大多數(shù)方案中，該失效保護(hù)電阻選取560Ω，不過(guò)為了減小功耗，有人將該失效保護(hù)電阻增大到將近1.1kΩ(當(dāng)只需要一端匹配時(shí))。部分設(shè)計(jì)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(tǒng)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)廠商首先在芯片內(nèi)部給接收器提供偏置電阻（上拉或下拉），不過(guò)它僅在檢測(cè)輸出開(kāi)路時(shí)有效。對(duì)于終端匹配電纜，由于這類“偽”失效保護(hù)收發(fā)器內(nèi)置的上拉電阻比匹配電阻大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(nèi)置失效保護(hù)電阻的收發(fā)器僅對(duì)不需要終端匹配的電纜有效。因此其它一些廠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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)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(dāng)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(shè)計(jì)首先應(yīng)該選擇低功耗器件，譬如MAX3471（當(dāng)發(fā)送關(guān)閉時(shí)，僅消耗2.8μA電流，數(shù)據(jù)速率可達(dá)64kbps）。由于數(shù)據(jù)發(fā)送期間收發(fā)器的功耗增加，因此節(jié)省功耗的第二步就是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)短碼發(fā)送數(shù)據(jù)，使收發(fā)器長(zhǎng)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。一個(gè)掛接單位負(fù)載（32個(gè)可尋址器件）的RS-485系統(tǒng)包含下列各位：5位地址位、8位數(shù)據(jù)位、起始位（全幀）、停止位（全幀）、奇偶校驗(yàn)位（可選擇）、循環(huán)碼校驗(yàn)位（CRC，可選擇），因此其發(fā)送數(shù)據(jù)的最短長(zhǎng)度為20位。然而，在實(shí)際應(yīng)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(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送地址、方向等等，結(jié)果使得碼長(zhǎng)可能增長(zhǎng)到255個(gè)字節(jié)（即2040位）。

通過(guò)增加碼長(zhǎng)可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送安全性，但它卻是以占用總線時(shí)間和消耗更多功率為代價(jià)。當(dāng)以200kbps速率來(lái)傳送20位的數(shù)據(jù)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(dāng)收發(fā)器處于空閑模式時(shí)，必須關(guān)閉它的驅(qū)動(dòng)器以使功率消耗最低。表3以MAX1483為例給出了碼長(zhǎng)與RS-485接口電流消耗之間的關(guān)系。當(dāng)然，對(duì)于采用定時(shí)循檢技術(shù)或在兩次發(fā)送期間有較長(zhǎng)固定休眠時(shí)段的系統(tǒng)，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(dāng)收發(fā)器使能、在1000英尺長(zhǎng)的電纜發(fā)送方波信號(hào)時(shí)，各種不同的器件消耗電流的大小。其中75ALS176和MAX1483在總線每一端均采用標(biāo)準(zhǔn)的560Ω/120Ω/560Ω電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，而“失效保護(hù)”器件MAX3080 和MAX3471在總線每端僅采用了一個(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(hù)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(shù)據(jù)信號(hào)達(dá)到接收器之前反射信號(hào)消失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果信號(hào)的上升時(shí)間至少比信號(hào)在電纜通道單方向傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)3倍，則可以采用不加終端電阻的方法。利用該準(zhǔn)則，按照下列步驟，可以計(jì)算出不加終端匹配電阻時(shí)，電纜的最大長(zhǎng)度。

第一步：首先查找到信號(hào)在電纜中傳輸速率（通常由電纜廠商提供），該參數(shù)以光速（真空中，c=3×108）的百分比表示。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的絕緣型PVC電纜（內(nèi)部為24號(hào)AWG雙絞線）其典型速率為8英寸/ns。

第二步：對(duì)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(duì)于MAX3471，有：tr min/4=750/4=187.5ns。

第四步：計(jì)算不需要采用匹配電阻時(shí)，能可靠傳輸信號(hào)的電纜最大長(zhǎng)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(shù)據(jù)時(shí)，可以保持良好的傳輸性能。圖4說(shuō)明了當(dāng)用100英尺長(zhǎng)無(wú)電阻匹配電纜替換1000英尺長(zhǎng)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(dāng)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匹配，而是簡(jiǎn)單地把反射信號(hào)引起的過(guò)壓或欠壓信號(hào)進(jìn)行鉗位。其結(jié)果是，總線或接收器輸入端電壓信號(hào)被限制在VCC+VFD（二極管正向?qū)妷海┗騁ND-VFD范圍內(nèi)。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(hù)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(hù)功能，但如果選用了如MAX3080、MAX3471這類收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

在眾多類型的二極管中，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(tǒng)中所有的反射信號(hào)。因?yàn)橐坏┓瓷湫盘?hào)減弱到低于二極管正向?qū)妷?，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。由于每根終端線需要兩個(gè)二極管，而RS-485/422總線采用差動(dòng)方式，因此需要的二極管數(shù)目還要再加倍，使系統(tǒng)成本提高。

結(jié)語(yǔ)

在高速、長(zhǎng)距離通訊的RS-485系統(tǒng)中，由于需要終端匹配電阻，因此很難實(shí)現(xiàn)低功耗。如果采用具有“失效保護(hù)”功能的收發(fā)器，可節(jié)省功耗；另外依靠軟件對(duì)數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讓發(fā)送器在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后進(jìn)入關(guān)閉模式或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器能進(jìn)一步減小功率消耗。