工程師曾玲 發表於 2018-09-09 10:00:00
一、前言
在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域中，通常使用串行通訊方式進行數據交換。最初的RS232接口，由於外界應用環境等因素，經常因電氣幹擾而導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現點對點的通信方式，不具備聯網功能，而且其最大傳輸距離僅有15米，不能滿足遠距離通訊要求。RS485則解決了這些問題，數據信號採用差分傳輸方式，最大傳輸距離約為1219米，允許多個發送器連接到同一條總線上。
考慮到節能、低功耗等原因，系統電壓由傳統的5V轉為3.3V，因此3.3V供電的RS485接口應運而生。
二、RS-485標準概述
RS-485數據信號採用差分傳輸方式，收、發端通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應相連。當線路A高於線路B電平(VA-VB>+200mV)時，接收端輸出為邏輯高電平(RO=1);當線路A低於線路B電平(VA-VB-200mV)時，接收端輸出為邏輯低電平(RO=0)。當驅動器的輸入端邏輯電平為高(DI=1)時，線路A電平高於線路B電平;當驅動器的輸入端邏輯電平為低(DI=0)時，線路A電平低於線路B電平。見圖1。
三、低壓RS-485網絡電路的設計要點
1、共模幹擾
RS-485 接口採用差分方式傳輸信號，一般收發器能夠承受的共模電壓範圍為-7V至+12V，一旦共模電壓超出此範圍，將會影響通信的可靠性，甚至損壞接口。由於每個系統都會有獨立的地迴路，在遠距離通信條件下，系統間的地電位差VGPD將會很大。發送器的輸出共模電壓為VOC,那麼接收器輸入端的共模電壓VCM=VOC+VGPD，RS-485標準規定VOC小於等於3V，但VGPD的幅度可達十幾伏甚至數十伏，並可能伴有強幹擾信號，導致接收器的共模輸入VCM超出正常範圍，並在信號線上產生幹擾電流。解決此類問題的方法是：
a、通過帶隔離的DC-DC將系統電源和RS-485收發器的電源隔離，如圖2所示;
b、通過光耦將信號隔離，減小共模電壓的影響。
採用該方法時，總線收發器的信號線和電源線與本地信號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據波特率的主要因素，對於低速傳輸，可採用PS250、TIL117等。在高速電路設計中，可以考慮採用6N137、6N136等高速光耦，優化電路參數設計。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，將會使光耦的發光管由截止進入飽和狀態的速度變慢;如果選取得過小，退出飽和將會變慢。不同型號的光耦及驅動電路，使得這兩個電阻的數值略有差異，阻值的選取通常由實驗來確定。
圖3：光耦隔離示意圖
3、端接電阻
RS-485數據信號採用差分傳輸方式，信號在轉換期間和轉換之後會發生反射。數據的傳輸速率較低或者通訊距離較近時，反射持續時間較短，對接收的邏輯電平沒有影響，可以不用終端匹配。相反，如果數據的傳輸速率高或者通訊距離較遠時，反射持續時間較長，則需要對總線進行終端匹配。
那麼究竟在怎樣的數據速率和電纜長度時需要進行總線匹配呢?一條經驗性的原則是：當信號的轉換時間(上升或下降時間)超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時無需進行終端匹配。
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並接終端電阻。端接電阻取120Ω，與雙絞線電纜特性阻抗匹配。該方案比較簡單，目前最為普遍。如圖4所示。該方案的弊端在於，匹配電阻對功率消耗較大，不太適合對功耗限制比較嚴格的系統。
圖4：端接電阻示意圖
b、RC匹配，在總線直接串聯一個電阻和電容。容值的選取與信號的傳輸速率有關，電路連接方式如圖5。由於電容的存在，減少了大部分的功率損耗，同時也影響了信號的傳輸速率。因此，容值的選取就顯得比較關鍵。
圖5：RC匹配示意圖
4、故障保護
RS-485網絡中，當所有的收發器都工作在接收模式時，總線處於空閒狀態。此時總線上的差分電壓VA-VB=0，接收器輸出處於未定義狀態，從而導致UART接收錯誤信息。除此之外，總線的斷路、短路故障，都會造成UART上接收到錯誤信息。為了避免出現以上錯誤，在總線上放置上、下拉電阻。圖6為總線偏置電路。電阻R1、R2的選擇可根據下列計算方法得出，R1=R2=R，RT=120Ω(由於總線上終端和起始端各有1個120Ω終端電阻，所以RT0取值60Ω)，VA-VB=Vcc*RT/(2R+RT0)，應滿足VA-VB>200mV，低壓傳輸時，取Vcc=3.3V，那麼R=465Ω。
5、瞬態保護
實際應用中，RS-485總線上經常會遇到雷擊、靜電、電源波動等情況，由於傳輸線對高頻信號相當於電感，因此對於高頻瞬態幹擾，接地線等同於開路。瞬態幹擾雖然持續時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。一般在切換大功率感性負載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產生幅度很高的瞬態幹擾，如果不加以適當防護可能會引起通信接口器件的損壞。通常情況下，會採取旁路保護方法，如圖7所示。
由於旁路保護方法是將瞬變能量釋放到地迴路，因此必須要有良好的接地。對於高速信號的遠距離傳輸，應考慮保護器件容值和線路間容值對信號延時的影響。
四、使用RS485接口時應注意的問題
1、UART電平
隨著MCU等平臺電平的降低，接口電平低壓化趨勢明顯。上海英聯電子的UM3483/UM3486採用CMOS接口電平，兼容2.8V、3.3V接口電平。同時，為了增加抗幹擾能力，對輸入口的邏輯電平做了閾值滯環處理。
2、EMI幹擾
RS-485信號在轉換期間和轉換之後會發生反射，形成天線向外輻射。UM3483具有低擺率驅動器，能夠減小EMI和由於不恰當的終端匹配所引起的反射，並能夠在接收端提供良好的信號信噪比。
3、失效保護
傳統的RS-485接收器門限為±200mV，當總線上的差分電壓VA-VB介於±200mV之間時，接收器的輸出狀態不確定。UM3483/UM3486內置真故障安全接收器輸入，將接收門限移到-200mV/-50mV，解決了總線短路、空閒等情況下的失效保護問題。可省去外部的偏置電阻，同時內部的接收閾值做了滯環處理，增加了接收器的抗幹擾能力。
4、單位負載
RS-485接收器額定的輸入阻抗為大於或等於12kΩ，該值為1個單位負載(UL)。如果一個RS-485接收器額定具有1/8個UL，則總線可連接8倍數量的這種接收器。UM3483/UM3486的輸入阻抗為96kΩ，總線可連接多達256個節點。
5、ESD保護
由於RS-485的應用環境比較複雜，經常受到靜電和瞬態電壓等幹擾。目前半導體常用的ESD測試標準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，用於評價器件的防靜電能力。UM3483/UM3486晶片內部集成了ESD保護電路，人體放電模式、空氣放電模式均達到±15kV，接觸放電模式達到±8kV。
6、電壓倒灌
如果RS485接口晶片電源掉電，但I/O口(A、B、/RE、DE、DI、RO)有輸入電壓時，一旦晶片沒有該項功能，會在VCC管腳上建立起不穩定的電壓，從而導致晶片處於無法預期的工作狀態，吸收總線上的電流，向總線亂發數據，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，保證晶片處於關閉狀態。
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