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RS-485总线芯片的选型_应用及注意事项

2018-05-16 21:50

  RS485总线采用平衡发送和差分接收方式实现通信:发送端将串行口的ttl电平信号转换成差分信号a,b两路输出,经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成ttl电平信号。由于传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以有极强的抗共模干扰的能力,总线收发器灵敏度很高,可以检测到低至200mv电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。rs-485最大的通信距离约为1219m,最大传输速率为10mb/s,传输速率与传输距离成反比,在100kb/s的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。rs-485采用半双工工作方式,支持多点数据通信。rs-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来,不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构,就必须使用485中继器或者485集线总线个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。

  RS-485总线接口已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多。如何在种类繁多的接口芯片中找到最合适的芯片,是摆在每一个使用者面前的一个问题。RS-485接口在不同的使用场合,对芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的选型和电路的设计上应考虑哪些因素,下面将给出这方面的一些经验总结。

  所谓节点数,即每个RS-485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准RS-485负载。根据规定,标准RS-485接口的输入阻抗为12k,相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合,有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载(24k)、1/4负载(48k)甚至1/8负载(96k),相应的节点数可增加到64、128和256。下图为一些常见芯片的节点数。

  RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX1487、MAX3082、MAX1483等;全双工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482等。

  RS-485接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失,常见的芯片有MAX485E、MAX487E、MAX1487E等。尤其是SN75LBC184,它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击。

  由于信号在传输过程中会产生电磁干扰和终端反射,使有效信号和无效信号在传输线上相互迭加,严重时会使通信无法正常进行。为解决这一问题,某些芯片的驱动器设计成限斜率方式,使输出信号边沿不要过陡,以不致于在传输线上产生过多的高频分量,从而有效地扼制干扰的产生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。

  众所周知,RS-485接口采用的是一种差分传输方式,各节点之间的通信都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质。根据RS-485的标准规定,接收器的接收灵敏度为200mV,即接收端的差分电压大于、等于+200mV时,接收器输出为高电平;小于、等于-200mV时,接收器输出为低电平;介于200mV之间时,接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时,若不采取特殊措施,则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器(UART)找不到起始位,从而引起通信异常,解决此类问题的方法有两种:

  (1)使用带故障保护的芯片,它会在总线开路、短路和空闲情况下,使接收器的输出为高电平。确保总线空闲、短路时接收器输出高电平是由改变接收器输入门限来实现的。例如,MAX3080~MAX3089输入灵敏度为-50mV/-200mV,即差分接收器输入电压UA-B-50mV时,接收器输出逻辑高电平;如果UA-B-200mV,则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短路或总线上所有发送器被禁止时,接收器差分输入端为0V,从而使接收器输出高电平。同理,SN75276的灵敏度为0mV/-300mV,因而达到故障保护的目的。

  (2)若使用不带故障保护的芯片,如SN75176、MAX1487等时,可在软件上作一些处理,从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前,由主机预先将总线mV,并保持一段时间,使所有节点的接收器产生高电平输出。这样,在发出有效数据时,所有接收器能够正确地接收到起始位,进而接收到完整的数据。

  上图是最基本的RS485电路,R/D为低电平时,发送禁止,接收有效,R/D为高电平时,则发送有效,接收截止。上拉电阻R7和下拉电阻R8,用于保证无连接的SP485R芯片处于空闲状态,提供网络失效保护,提高RS485节点与网络的可靠性,R7,R8,R9这三个电阻,需要根据实际应用改变大小,特别是使用120欧或更小的终端电阻时,R9就不需要了,此时R7,R8使用680欧电阻。正常情况下,一般R7=R8=4.7K,R9不要。

  图中钳位于6.8V的管V4,V5,V6,都是为了保护RS485总线的,避免受外界干扰,也可以选择集成的总线保护原件。另外图中的L1,L2,C1,C2为可选安装原件,用于提高电路的EMI性能。

  接收:默认没有数据时,TX为高电平,三极管导通,RE为低电平使能,RO收数据有效,MAX485为接收态。

  发送:发送数据时,TX会先有一个下拉的电平(起始位-由高向低),表示开始发送数据,此时三极管截止,DE为高电平发送使能。当发送数据“0”时,由于DI接口相当于接地,此时数据“0”就会传输到AB扣,A-B《0,则传输“0”,完成低电平传输,当发送“1”时,此时三极管导通,按理说RO会使能,此时由于还处于发送数据中,这种状态下MAX485处于高阻太,此时的状态通过A上来,B下拉电阻决定,此时A-B》0传输“1”,完成高电平的传输。

  485是半双工的通信,收发转换是需要一定的时间的,所以一般在收发转换之间,和每发送完一帧数据之后,都要有相应的延时,如果出现收发不正常、或第一帧数据之后就出现误码现象,则可以适当的增加一下延时时间,以观问题是否解决。

  异步通信数据以字节的方式传送,在每一个字节传送之前,先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)产生负跳变,使接收端MCU进入接收状态,建议RO外接10k上拉电阻。

  ● 因为RS-485接口组成的半双工网络一般只需二根连线接口均采用屏蔽双绞线-数据线一定要互为双绞。不采用双绞线总线一定要是手牵手式的总线结构,坚决杜绝星型连接和分叉连接。设备供电的交流电及机箱一定要真实接地,而且接地良好,有很多地方表面上有三角插座,其实根本没有接地,要小心接地良好时,可以确保设备被雷击、浪涌冲击静电累计时可以配合设备的防雷设计较好地释放能量,保护485总线设备和相关芯片不受伤害,避免和强电走在一起,以免强电对其干扰。

  ● 现在市场上有很多设备都是用RS232接口与RS485接口,如果有一台232接口的设备与一台485接口的设备通信,那就需要一个转换器,把232接口的设备的232信号转换成485信号,然后再与485接口的设备通信,所以RS232转RS485转换器就成为485总线系统的标准配置。

  ● RS232转RS485转换器分为无源型,有源防雷型,有源防雷光隔离型。无源型485转换器采用串口窃电技术供电,但是由于其体积小,很多保护电路不能做上去,导致对485设备以及电脑的保护不是很好。由于采用串口窃电技术,电源供给不足,导致负载较小。有源的转换器除了实现232和485的转换,还能保证两者之间电气隔离!因为485的线路往往比较长,线路上有干扰,采取隔离措施后即使485线路上有干扰也不会影响RS232接口。

  ● 485信号线不可以和电源线一同走线。在实际施工当中,由于走线都是通过管线走的,施工方有的时候为了图方便,直接将485信号线和电源线绑在一起,由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰,从而导致485信号不稳定,导致通信不稳定。

  ● 选择使用普通的超五类屏蔽双绞线即网线就可以。由于原材料价格上涨,导致现在市场上的线材鱼龙混杂,有不良商人利用某种合金来顶替铜丝来做网线,在外面镀铜以蒙混客户。具体区别方法:看网线截面,如果是铜色的话,就是铜丝,如为白色,则是用合金以次充好。合金一般比较脆,容易断,而且导电性远不如铜丝,很容易在工程施工中造成问题。线材一般那建议选择标准的485线,其为屏蔽双绞线,传输线不是像网线那样为单股的铜丝,而是多股铜丝绞在一起形成一根线,从而即使某根小铜丝断掉,也不会影响整个的使用。

  ● 485布线中继器可以任意布设成星型接线布线规范是必须要手牵手的布线集线中继器直接布设成星型连接和树形连接,很容易造成信号反射导致总线布线过程中,使用了星型接线和树形接线,有的时候整个系统非常稳定,但是有的时候则总是出现问题,又很难查找原因,一般都是由于不规范布线总线必须要接地。在很多技术文档中,都提到485总线必须要接地,但是没有详细的提出如何接地。严格的说,485总线必须要单点可靠接地。单点就是整个485总线上只能是有一个点接地,不能多点接地,因为将其接地是因为要将地线(一般都是屏蔽线作地线)上的电压保持一致,防止共模干扰,如果多点接地适得其反。可靠接地时整个485线路的地线必须要有良好的接触,从而保证电压一致,因为在实际施工中,为了接线方便,将线剪成多段再连接,但是没有将屏蔽线作良好的连接,从而使得其地线分成了多段,电压不能保持一致,导致共模干扰。

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