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[導(dǎo)讀]RS-485 總線是半雙工的通信總線,因此通常需要MCU控制RS-485收發(fā)器的收發(fā)狀態(tài)。為節(jié)省MCU的I/O資源,RS-485自動收發(fā)型收發(fā)器應(yīng)運而生,但該類收發(fā)器或多或少會遇到一些應(yīng)用問題,這一類問題該如何解決?本文將從工作原理為你揭曉。

RS-485 總線是半雙工的通信總線,因此通常需要MCU控制RS-485收發(fā)器的收發(fā)狀態(tài)。為節(jié)省MCU的I/O資源,RS-485自動收發(fā)型收發(fā)器應(yīng)運而生,但該類收發(fā)器或多或少會遇到一些應(yīng)用問題,這一類問題該如何解決?本文將從工作原理為你揭曉。

一、自動收發(fā)電路簡介及應(yīng)用簡析

1、自動收發(fā)電路原理

常見的RS-485自動收發(fā)電路如圖1所示,電路的邏輯真值表如表1所示,當(dāng)TXD為低電平時,DE和RE為高電平,RS-485收發(fā)器處于發(fā)送狀態(tài),AB處于低電平,即向其他節(jié)點發(fā)送低電平信號;當(dāng)TXD由低電平變?yōu)楦唠娖綍r,DE和RE變?yōu)榈碗娖?,RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài),此時AB引腳處于高阻狀態(tài),R3將B引腳拉至GND,R4將A引腳拉至VCC,此時AB為高電平,即向其他節(jié)點發(fā)送高電平信號。由于TXD為高電平時,RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài),因此只需將TXD保持為高電平即可接收數(shù)據(jù),即自動收發(fā)電路發(fā)送高電平時同時也是接收狀態(tài)。

 

 

圖1RS-485自動收發(fā)示意圖

表1自動收發(fā)電路示意圖

 

 

二、自動收發(fā)電路常見應(yīng)用問題及解決方案

1、通信速度較慢

RS-485自動收發(fā)通信速度較慢的原因主要有兩個。一是若使用圖1所示的自動收發(fā)電路,三極管的關(guān)斷時間較長(主要是由于三極管關(guān)斷時的存儲時間較長),圖1中所示參數(shù)的三極管反相電路,開啟延時時間如圖2所示為10.2ns,關(guān)斷延時時間如圖3所示為1.14μs,因此若TXD發(fā)送低電平,DE&RE引腳較長時間后才會升至高電平,發(fā)送低電平的延時時間較長,圖1所示電路發(fā)送低電平信號延時時間如圖4所示為1.468μs。

 

 

圖2開啟延時時間

 

 

圖3關(guān)斷延時時間

 

 

圖4發(fā)送低電平信號延時

二是自動收發(fā)電路發(fā)送高電平是通過外部上下拉電阻驅(qū)動的,上升沿較緩慢,波形如圖5所示,可以看出,發(fā)送高電平的上升沿較為緩慢,限制了高速通信的應(yīng)用。

 

 

圖5發(fā)送高電平上升時間

2、高波特率通信時存在通訊異常風(fēng)險

如圖6所示,TXD變?yōu)楦唠娖?,DE&RE引腳降為低電平,AB差分電壓緩慢上升,由于此時RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于接收狀態(tài),在AB差分電壓上升至RS-485收發(fā)器門限電平前RXD引腳會出現(xiàn)到一段時間的低電平信號,例如門限電平為-200mV~-50mV的收發(fā)器,AB差分電壓上升至-50mV前RS-485收發(fā)器均可輸出低電平,此低電平信號的時間與AB差分電壓上升時間和RS-485收發(fā)器的接收延時有關(guān)。由于串口一般是將每個位分成16份,檢測中間的3份的電平信號從而確定此位的信號高低,因此若此低電平信號保持至每個位的信號檢測時,則會使MCU接收到一個起始位,從而接收到錯誤的數(shù)據(jù),因此這個問題同樣限制了高速通信的應(yīng)用并且降低了通信的可靠性。

 

 

圖6TXD發(fā)送高電平信號,RXD接收到一段低電平信號

針對此類問題,可選用致遠電子的寬壓輸入貼片式隔離RS-485自動收發(fā)模塊SC4450S(如圖7),該模塊通信速度高達500kbps,并且不會出現(xiàn)發(fā)送高電平時接收到一段時間低電平信號的現(xiàn)象,通信波形如圖8所示,極大地提高了通信可靠性。

 

 

圖7貼片式隔離RS-485收發(fā)器SC4450S

 

 

圖8SC4450S通信波形

3、外圍電路結(jié)電容影響收發(fā)器通訊穩(wěn)定性

在高靜電或浪涌環(huán)境下,需要增加外圍保護電路來保護RS-485收發(fā)器,若RS-485總線上所加保護電路的結(jié)電容較大,則會影響通信波形的質(zhì)量甚至導(dǎo)致通信異常,使用高結(jié)電容保護電路的通信波形如圖9所示,通信波形畸變嚴(yán)重,影響了通信質(zhì)量。

 

 

圖9受高結(jié)電容影響的波形

針對此類問題,可選用致遠電子SC4450S,根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中提供的如所示的保護電路圖10,可全面提升RS-485總線的防護能力,EMC防護能力上可以達到靜電接觸±8kV,浪涌共模±4kV,差模±2kV,符合絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用需求。

 

 

圖10低結(jié)電容保護電路

 

 

圖11 增加保護電路后通信波形

4、驅(qū)動能力較弱遠距離通訊存在風(fēng)險

自動收發(fā)電路發(fā)送高電平時總會有一段時間或全部時間是由上下拉電阻進行驅(qū)動的,若要提高發(fā)送高電平信號的驅(qū)動能力,需要使用較小阻值的上下拉電阻,由于RS-485收發(fā)器本身驅(qū)動能力的限制,上下拉電阻也不能選擇太小,一般總線上所有節(jié)點的上下拉電阻并聯(lián)值不能小于375歐,因此自動收發(fā)電路發(fā)送高電平信號的驅(qū)動能力非常有限。RS-485總線增加終端電阻后,發(fā)送高電平的AB差分電壓是由終端電阻與上下拉電阻分壓所得,所以此時發(fā)送的高電平信號幅值很低,因此使用自動收發(fā)RS-485收發(fā)器時,盡量不要使用終端電阻。

由于自動收發(fā)電路驅(qū)動能力有限,其應(yīng)用的通信距離也受到了限制。使用長度為8m和200m的雙絞線的通信波形如圖12和圖13所示,通信距離8m時,通信波形良好且通信正常,通信距離為200m時已經(jīng)不能正常通信。因此在通信距離較長時,可在自動收發(fā)RS-485收發(fā)器外部加上下拉電阻和終端電阻來改善通信波形,增加后的通信波形如圖14所示,波形得到很大的改善,可以正常通信,但發(fā)送高電平的信號幅值仍舊較低。

 

 

圖12通過8m雙絞線通信波形

 

 

圖13通過200m雙絞線通信波形

 

 

圖14外部加1k上下拉電阻且RS-485總線首尾加終端電阻

若對通信距離有較高要求,不推薦使用自動收發(fā)模塊,可選用致遠電子具有收發(fā)控制功能的隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT或RSM3485ECHT,通信距離可達1200m。通信速度500kbp,通信距離1200m,總線首尾各加120歐終端電阻的通信波形如圖15所示,此時RSM485ECHT發(fā)送信號的幅值可達2.6V,極大地提高了通信的可靠性。

 

 

圖15通信距離1200m,總線首尾加終端電阻,RSM485ECHT發(fā)送波形

三、總結(jié)

自動收發(fā)RS-485收發(fā)器可以節(jié)省MCU的 IO口,降低編寫程序的工作量,但常規(guī)的自動收發(fā)電路具有通信速度慢,發(fā)送高電平信號時RXD會接收到一段低電平信號等問題,因此若需使用自動收發(fā),推薦使用自動收發(fā)隔離RS-485收發(fā)器SC4450S,通信的可靠性大大提高,配合SC4450S推薦的低結(jié)電容保護電路,可以承受更高的靜電和浪涌等級,提高產(chǎn)品的可靠性。在通信距離較長時,推薦使用增強型隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT/RSM3485ECHT,通信距離可達1200m。

表2產(chǎn)品推薦應(yīng)用情況說明

 

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