RS485方向切換如何設計電路？介紹5種方案及優(yōu)劣勢分析

文章來源：創(chuàng)易棧

RS485作為常見的總線之一，幾乎每個工控設備都在用，我們也對其熟悉不過了。我們都知道RS485雙半雙工通信，其CPU內部的根源是串口通信，串口通信是區(qū)分發(fā)送TX和接收RX的，在同一對差分信號線上同時傳輸TX、RX，就是進行方向的控制，方向的控制時機不對，數據傳送是要出問題的。

例如下圖1、圖2中，CPU端的TX信號發(fā)送完畢后約100uS后方向引腳 拉低，切換到接收狀態(tài)，但是在TX信號發(fā)送完畢后60uS從機就回復了的RX信號，由于此時還是處于RS485芯片還是處于發(fā)送狀態(tài)，此時的接收數據將會被忽略，在系統(tǒng)層面就是體現為數據接收丟包。

圖1?RS485?接口電路

有些讀者會可能回想，只要從機回復數據晚一些，不要這么快速回復，就不存在這個問題了。但是從機一般都是客戶的機器，我們幾乎不可能要求別人更改回復時間。例如三菱的Fx3U PLC作為從機時，從主機發(fā)送數據結束到從機回復數據，只用了60uS，部分控制板，甚至回復時間在10uS以內。

研究RS485的方向切換的目標就是：RS485總線空閑時要處于接收狀態(tài)，如果有主機發(fā)送數據，則置高方向引腳，發(fā)送完成及時切換到接收狀態(tài)。

?

圖2 方向腳切換時間過長的情形

一、RS485方向切換的方案1：使用反相器自動切換

大部分的低成本RS232-RS485轉換器采用了這種方法。具體的實現方法是:把串口的發(fā)送信號TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來控制RS485收發(fā)器的收發(fā)控制引腳,同時在RS485收發(fā)器的A/B輸出端加上上拉/下拉電阻,具體電路如圖3所示。

圖3 使用反相器自動切換電路

在空閑狀態(tài)下,串口的發(fā)送信號TXD為高電平,經過反相器后輸出低電平,使485芯片處于接收狀態(tài),而RS485總線由于上下拉電阻的作用處于A高B低的狀態(tài)。當發(fā)送數據時，TXD信號線上的低電平比特位控制485芯片進入發(fā)送狀態(tài),將該比特發(fā)送出去。而高電平比特位則使485芯片處于接收狀態(tài),由于RS485總線上下拉電阻把總線置于A高B低的狀態(tài),即表示發(fā)送了高電平。

簡單說，這種電路，就是發(fā)送低電平時，485芯片是 發(fā)送狀態(tài)，而發(fā)送高電平時，485芯片屬于接收狀態(tài)。

優(yōu)勢：

只需要增加一個反相器就可以實現，無需軟件的干預，反相器可以使用一個三極管即可以實現，成本十分低廉（幾分錢）；

劣勢：

由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會影響正常發(fā)送的數據電平。所以這種換向模式在發(fā)送高電平時的驅動能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數據先切換方向，但是由于方向引腳經過了反相器，達到芯片的時間變長了，比數據晚到，所以速率太高的情況容易丟包。如果需要驅動多個從設備，就會顯得力不從心，并且驅動能力太弱，只能短距離傳輸；并且傳輸速度不能太快，一般使用9600bps。

?

二、RS485方向切換的方案2：使用軟件控制方向

市面上大部分的內置RS485的產品基本都是采用此類的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的 實現方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態(tài)，在準備發(fā)送數據之前，MCU會拉高RS_EN，U1處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送完畢之后，RS_EN重新處于低電平，U1處于接收狀態(tài)。

圖4 使用軟件控制方向切換

此類方案的關鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時機，假設發(fā)送完數據后，沒有及時切換到接收狀態(tài)，而此時從機又回復數據，此時就會引起丟包，就會出現文章開頭圖2中的情形。不幸的時，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運行操作系統(tǒng)（Linux、WIndows等）以后，想要十分準確控制方向引腳的高低電平已經十分困難。

優(yōu)勢：

無需增加任何的硬件成本，且RS485的驅動能力不受影響。

劣勢：

依賴于軟件控制方向引腳，如果運行復雜的操作系統(tǒng)，控制引腳的優(yōu)先級不夠高，或者軟件的優(yōu)化的不夠好，都會導致方向引腳的切換不及時，到時數據的丟包。并且，是否丟包還取決于從機的回復時間，測試過程不一定能夠測試出來。

?

三、RS485方向切換的方案3：使用觸發(fā)器控制方向

為了克服反相器換向的缺點,出現了一種由RS觸發(fā)器控制的自動換向技術,如圖5所示。這個電路的關鍵是反相器和RS觸發(fā)器之間的由二極管、電阻、電容組成的充放電電路。在空閑狀態(tài)下,485芯片仍處于接收狀態(tài)。當TXD信號線上發(fā)送數據的低電平起始位時,反相器輸出高電平,通過二極管為電容迅速充電,使RS觸發(fā)器R端為高電平,S端為低電平,觸發(fā)器輸出高電平,把ISL3152E置于發(fā)送狀態(tài);當TXD信號線轉換為高電平時,反相器輸出低電平,電容通過電阻緩慢放電,使得R端暫時仍處于高電平狀態(tài),加上S端的高電平狀態(tài),使觸發(fā)器的輸出保持前面的高電平狀態(tài),485芯片仍處于發(fā)送狀態(tài)。電容經過一段時間放電后,R端電壓轉變?yōu)榈碗娖?則觸發(fā)器輸出低電平,把485芯片置回接收狀態(tài)。通過選擇電阻和電容值,我們可以控制放電速度,使得一個低電平的起始位足以在整個字節(jié)發(fā)送。此類方案參數一致性非常差，實際使用的都是技高人膽大的。

圖5 使用觸發(fā)器切換方向

優(yōu)勢：

無需軟件干預切換方向，驅動能力強（取決于RS485芯片）。

劣勢：

1.增加的器件較多；

2.不同的波特率需要匹配不同的RC參數

3.溫度、老化、一致性等問題，會導致RC參數變化，從而導致切換時間錯亂導致丟包。

?

四、RS485方向切換的方案4：max13487芯片

為了克服軟件參與的方向控制不確定性，美信公司發(fā)布了宣稱首款支持芯片自動換向的RS485芯片，如下圖6，對比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引腳有兩個用于：

（1）/RE為低電平時，打開RO方向的接收數據。

（2）/RE為高電平時，芯片進入自動方向切換模式。

一般使用我們將/RE連接高電平，即自動換向模式。

圖6 MAX13487 內部框圖

由于美信沒有公布內部的邏輯原理，只描述內部有一個狀態(tài)機，我們只能外部猜測其工作原理：

1.空閑模式下，數據流方向為RO方向；此為狀態(tài)1；

2.當串口端有數據發(fā)送時，由于起始位為低電平，經過邏輯功能D后，A＜B，經過COM3.邏輯功能且反相后，RI為高電平。此狀態(tài)為數據發(fā)送狀態(tài)2。

4.經過一系列的邏輯運算（以RI、DI為輸入，但是不知道其內部的原理）；狀態(tài)機檢測到數據發(fā)送完畢，芯片變成接收狀態(tài)1。

優(yōu)勢：

由芯片自動切換方向，無需軟件干預切換方向，驅動能力強，通信速率高，MAX13488 宣稱最高可以到16Mbps，與普通的RS485芯片性能一樣。

劣勢：

價格比普通的RS485芯片貴一倍以上。

?

五、RS485方向切換的方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT

周立功公司將RS485的三個相關的功能模塊：DC電源、隔離、RS485芯片三合一，封裝在同一個芯片內部，由于沒有內部的資料，我們無法獲知其內部的邏輯功能。官方資料宣稱最高速率可以達到500Kbps，對于一般的應用足以。

優(yōu)勢：

由芯片自動切換方向，無需軟件干預切換方向，驅動能力強，通信速率高，DC電源、隔離、RS485芯片功能三合一，節(jié)省板卡空間。

劣勢：

價格比分立器件搭建RS485電路貴，且一旦損害需要要整體更換。

?

圖7 RSM(3)485PHT原理圖

?

六、總結

上述我們提供了5種RS485自動切換方向的方法：分別是反相器法、軟件控制法、觸發(fā)器法、美信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。

反相器法由于驅動能力太弱、速率太低，僅適用于要求不高的調試場合，工控場合慎選。

軟件控制法對軟件的要求較高，特別是帶操作系統(tǒng)的芯片，軟件控制的時機較困難。

觸發(fā)器法由于參數一致性太差，只適合波特率恒定、速率不高的場合；

美信以及周立功提供的方案已經芯片化，經過了大量的市場驗證，且有大公司做背書，可靠性、溫度性都有很大的保障，優(yōu)先推薦。