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RS485接口电路完全指南

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RS485接口电路完全指南_第1页
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来源:21ic 整理 关键字:RS-485接口电路RS-485 接口电路完全指南 你想知道的都在这里了本设计指南争论如何设计RS-485 接口电路文中争论了平衡传输线标准的必要性,并给出了一个过程掌握设计例子文中还分标题争论了线路负载、信号衰减、失效保护和电流隔离1. 为什么需要平衡传输线标准本文的重点在于工业最广泛使用的平衡传输线标准:ANSI/TIA/EIA-485-A(以下简称485)在回忆一些 485 标准的关键方面后,通过一个工厂自动化例子,介绍实际工程中如何实施差分传输构造远距离、高噪声环境下,计算机组件和外设之间的数据传输通常是困难的,假设有可能的话,尽量使用单端驱动器和接收器对于这种需要远距离通讯的系统,推举使用平衡数字电压 接口485 是一个平衡(差分)数字传输线接口,是为了改善TIA/EIA-232(以下简称 232)的局限性而开发出来的485 具有以下特性:· 通讯速率高 – 可到达 50M bits/s· 通讯距离远 – 可到达 1200 米(注:100Kbps 状况下)· 差分传输 – 较小的噪声辐射· 多驱动器和接收器在实际应用中,假设两个或更多计算机之间需要价格低廉、连接牢靠的数据通讯,都可以使用 485 驱动器、接收器或收发器。

一个典型的例子是销售终端机和中心计算机之间使用485传输信息使用双绞线传输平衡信号具有较低的噪声耦合,加上 485 具有很宽的共模电压范围, 所以 485 允许高达 50M bit/s 的速率通讯,或者在低速状况下具有数千米通讯距离由于 485 用途广泛,越来越多的标准委员会将485 标准作为它们通讯标准的物理层标准包括 ANSI 的 SCSI(小型计算机系统接口)、Profibus 标准、DIN 测量总线以及中国的的多功能电能表通讯协议标准DL/T645平衡传输线标准 485 于 1983 年开发,用于主机与外设之间的数据、时钟或掌握线的数据传输接口标准仅规定了电气层,其它的像协议、时序、串行或并行数据以及链接器全部由设计者或更高层协议定义最初,485 标准被定义为是对TIA/EIA-422 标准(以下简称 422)的敏捷性方面升级鉴于422 仅是单工通讯(注:422 使用两对差分通讯线,发送使用一对,接收使用一对,所以数据在一条线上是单向传输的),485 允许在一对信号线上有多个驱动器和接收器,有利于半双工通讯(见图 1)和 422 一样,485 没有规定最大电缆长度,但是在使用24-AWG 电缆、100kbps 条件下,可以传输 1.2km;485 同样没有限制最大信号速率,而是由上升沿时间和位时间的比率限制, 这和 232 相像。

在大多数状况下,由于传输线效应和外界噪声影响,电缆长度比驱动器更能限制信号速率2. 系统设计留意事项2.1 线负载在 485 标准中,线负载要考虑线路终端和传输线上的负载是否对传输线终端匹配取决于系统设计,也受传输线长度和信号速率的影响(一般状况下,低速短距离可以不进展终端匹配)2.1.1 传输线终端匹配可以将传输线划分为两种模型:分布式参数模型[1]和集总参数模型[2]测试传输线属于哪种模型取决于信号的渡越(上升/下降)时间tt 与驱动器输出到线缆末端的传播时间tpd假设 2tpd≥tt/5,则传输线必需依据分布式参数模型处理,并且必需处理好传输线终端匹配;其它状况下,传输线看作节点参数模型,这时传输线终端匹配不是必需的注 1:分布式参数模型 - 电路中的电压和电流是时间的函数而且与器件的几何尺寸和空间位置有关注 2:集总参数模型 - 电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端点的电流完全确定,与器件的几何尺寸和空间位置无关2.1.2 单位负载概念挂接在同一 485 通讯总线上的驱动器和接收器,其最大数量取决于它们的负载特性驱动器和接收器的负载都是相对单位负载而衡量的485 标准规定一根传输总线上最多可以挂接32 个单位负载。

单位负载定义为:在 12V 共模电压环境中,允许通过稳态负载1mA 电流,或者是在-7V 共模电压环境中,允许通过稳态负载0.8mA 电流单位负载可能由驱动器、接收器和失效保护电阻组成,但不包括AC 终端匹配电阻图 2 给出了SN75LBC176A 收发器单位负载计算的例子由于这款设备将驱动器和接收器集成到一起构成了收发器(即驱动器输出和接收器输入连接到了同一根总线上),因此很难分别猎取驱动器泄漏电流和接收器输入电流为了便于计算,将接收器输入阻抗看作12 kΩ 并给收发器 1mA 电流这可以代表一个单位负载,一跟传输总线上允许32 个这样的负载只要接收器的输入阻抗大于 12kΩ,那么可以在一根传输总线上使用多于32 个这样的收发器2.2 信号衰减和失真一个有用的常识是:在最大信号速率(单位:Hz)通讯的条件下,允许信号衰减-6dB一般状况下,电缆供给商会供给信号衰减图表图3 所示的曲线显示了 24-AWG 电缆衰减和频率的关系确定随机噪声、抖动、失真等对信号影响程度的最简洁方法是使用眼图图4 显示使用20AWG 双绞线电缆 500 米处、不同信号速率下,接收端的信号失真状况当信号速率进一步增加,抖动的影响变得更加显著。

在1Mbit/s 时,抖动大约为5%,而在 3.5Mbit/s 时,信号开头彻底被漂浮,传输质量严峻降级在实际系统中,可允许的最大抖动一般要小于5%2.3 故障保护和失效保护2.3.1 故障保护和其它任何系统设计一样,必需习惯性的考虑故障应对措施,不管这些故障是自然产生还 是因环境诱导产生对于工厂掌握系统,通常要求对极端噪声电压进展防护485 供给的差分传输机制,特别是宽共模电压范围,使得485 对噪声具有肯定的免疫力但面对简单恶劣环境时,其免疫力可能缺乏有几种方法可以供给保护,最有效的方法是通过电流隔离,后面会争论这个方法电流隔离能够供给更好的系统级保护,但是价格也更高更流行并且比较廉价的方案是使用二极管保护使用二极管方法代替电流隔离是一种折衷方法,在更低层次上供给保护外接二极管和内部集成瞬态保护二极管的例子如以下图所示:图 5 所示 485 收发器SN75LBC176 外接二极管来防止瞬态毛刺RT 通常是终端匹配电阻,等于电缆特性阻抗R0图 6 所示内部集成瞬态抑制二极管的485 收发器SN75LBC184,用于既期望使用完整 485 功能,PCB 空间又受限的场合SN75LBC184 在内部集成了保护二极管,针对高能量电气噪声环境,可直接替换SN75LBC176。

2.3.2 失效保护很多 485 应用也要求供给失效保护,失效保护对于应用层是很有用的,需要认真考虑并充分理解在任何多个驱动器/接收器共用同一总线的接口系统中,驱动器大多数时间处于非活动状 态,这个状态被称为总线空闲状态当驱动器处于空闲状态时,驱动器输出高阻态当总线空闲时,沿线电压处于浮空状态(也就是说,不确定是高电平还是低电平)这可能会造成接收器被错误地触发为高电平或低电平(取决于环境噪声和线路浮空前最终一次电平极性)明显,这种状况是不受欢送的在接收器前面需要有相关电路,将这种不确定状态变成的、预先商定好的电平,这称之为失效保护此外,失效保护还要能防止因短路而引起的数据错误有很多方法可以实现失效保护,包括增加硬件电路和使用软件协议尽管软件协议实现起 来比较简单,但这是优先推举的方法但是由于大多数系统设计师、硬件设计师更宠爱使用硬件实现失效保护,增加硬件电路实现失效保护更常常被使用无论消灭短路还是开路状况,失效保护电路必需为接收器供给明确的输入电压假设通讯线所处环境格外恶劣,则线路终端匹配也是必需的目前很多厂商开头将一些失效保护电路(如开路失效保护)集成到芯片内部通常这些额外的电路只是在接收器同相输入端增加一个大阻值上拉电阻、在接收器反相端增加一个大阻值下拉电阻。

这两个电阻通常在 100KΩ 左右,这些电阻和终端匹配电阻形成一个潜在的驱动器, 仅能供给几个mV 的差分电压因此,这个电压(接收器临界电压)并缺乏以切换接收器状态使用这样的内部上下拉电阻允许总线不进展终端匹配,但是会显著的降低最大信号速率和牢靠性图 7 给出了一些 485 接口通用外置失效保护电路,每个电路都尽力维持接收器输入端电压不小于最小临界值并在一个或多个故障条件(开路、空闲、短路)下,维持一个的规律状态在这些电路中,R2 代表传输线阻抗匹配电阻,并成为电压驱动器的一局部:产生稳态偏置电压这里假设每个接收器代表 1 个单位负载图 7 右半局部的表格中列出了一些典型电阻和电容值、供给的失效保护类型、使用的单位负载个数和信号失真在下一节中,会通过对短路失效电路中的电阻值计算,来说明如何修改这些电阻值以便适用于特定设计要实现短路保护,需要更多的电阻当电缆短路时,传输线阻抗变为零,终端匹配电阻也背短路在接收器输入端串联额外的电阻可以实现短路失效保护图 8 所示的额外电阻R3 仅能用于驱动器和接收器分别的场合现在的绝大局部485 驱动器和接收器都集成到一个芯片上(称之为收发器),并且在内部连接到同一个总线上,这种收发 器不行以使用短路失效保护。

假设需要进展短路保护,可以选择内部集成短路保护的收发器或 者使用驱动器和接收器分别的器件,比方SN75ALS180假设在收发器使用短路失效保护电路, 则电阻R3 会引起输出信号额外的失真驱动器和接收器分别的器件SN75ALS180 不会有这个问题,由于驱动器是直接连到总线上的,旁路掉了R3下面对电阻值经行计算假设传输线短路,R2 从电路中移除,则接收器输入端电压为: VID= VCC * 2R3 / (2R1 + 2R3)对于 485 应用,标准规定接收器可识别最低至200mV 的输入信号因此当VID> VIT 或者VID > 200mV,能够确定一个状态这是第一个设计约束条件:VCC* 2R3 / (2R1 + 2R3) > 200mV当传输线上为高阻态时,接收器受到R1、R2 和 R3 的影响,其输入电压为: VID= VCC* (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3)得到其次个设计约束条件:VCC * (R2 + 2R3) / (2R1 + R2 + 2R3) > 200mV传输线会受终端匹配电阻R2 与两倍的(R1+R3)并联影响传输线的特性阻抗Zo 与之相匹配,这得到第三个设计约束条件:Zo= 2R2 * (R1 。

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