【技術(shù)干貨】五種RS485切換方向的方法及優(yōu)劣勢(shì)

RS485作為常見(jiàn)的總線之一，幾乎每個(gè)工控設(shè)備都在用，我們也對(duì)其熟悉不過(guò)了。我們都知道RS485雙半雙工通信，其CPU內(nèi)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(duì)差分信號(hào)線上同時(shí)傳輸TX、RX，就是進(jìn)行方向的控制，方向的控制時(shí)機(jī)不對(duì)，數(shù)據(jù)傳送是要出問(wèn)題的。
例如下圖1、圖2中，CPU端的TX信號(hào)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(hào)發(fā)送完畢后60uS從機(jī)就回復(fù)了的RX信號(hào)，由于此時(shí)還是處于RS485芯片還是處于發(fā)送狀態(tài)，此時(shí)的接收數(shù)據(jù)將會(huì)被忽略，在系統(tǒng)層面就是體現(xiàn)為數(shù)據(jù)接收丟包。
有些讀者會(huì)可能回想，只要從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)晚一些，不要這么快速回復(fù)，就不存在這個(gè)問(wèn)題了。但是從機(jī)一般都是客戶(hù)的機(jī)器，我們幾乎不可能要求別人更改回復(fù)時(shí)間。例如三菱的Fx3U PLC作為從機(jī)時(shí)，從主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束到從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)，只用了60uS，部分控制板，甚至回復(fù)時(shí)間在10uS以?xún)?nèi)。
研究RS485的方向切換的目標(biāo)就是：RS485總線空閑時(shí)要處于接收狀態(tài)，如果有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則置高方向引腳，發(fā)送完成及時(shí)切換到接收狀態(tài)。

圖1 RS485 接口電路

圖2 方向腳切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情形

一、RS485方向切換的方案

1：使用反相器自動(dòng)切換
大部分的低成本RS232-RS485轉(zhuǎn)換器采用了這種方法。具體的實(shí)現(xiàn)方法是:把串口的發(fā)送信號(hào)TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來(lái)控制RS485收發(fā)器的收發(fā)控制引腳,同時(shí)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。
在空閑狀態(tài)下,串口的發(fā)送信號(hào)TXD為高電平,經(jīng)過(guò)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(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TXD信號(hào)線上的低電平比特位控制485芯片進(jìn)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(jiǎn)單說(shuō)，這種電路，就是發(fā)送低電平時(shí)，485芯片是 發(fā)送狀態(tài)，而發(fā)送高電平時(shí)，485芯片屬于接收狀態(tài)。
優(yōu)勢(shì)： 只需要增加一個(gè)反相器就可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需軟件的干預(yù)，反相器可以使用一個(gè)三極管即可以實(shí)現(xiàn)，成本十分低廉（幾分錢(qián)）；
劣勢(shì)： 由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會(huì)影響正常發(fā)送的數(shù)據(jù)電平。所以這種換向模式在發(fā)送高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數(shù)據(jù)先切換方向，但是由于方向引腳經(jīng)過(guò)了反相器，達(dá)到芯片的時(shí)間變長(zhǎng)了，比數(shù)據(jù)晚到，所以速率太高的情況容易丟包。
由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會(huì)影響正常發(fā)送的數(shù)據(jù)電平，所以這種換向模式在發(fā)送高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力很弱，如果需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)從設(shè)備，就會(huì)顯得力不從心，并且驅(qū)動(dòng)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。

圖3 使用反相器自動(dòng)切換電路

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(nèi)置RS485的產(chǎn)品基本都是采用此類(lèi)的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的 實(shí)現(xiàn)方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態(tài)，在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)之前，MCU會(huì)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)。
此類(lèi)方案的關(guān)鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時(shí)機(jī)，假設(shè)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，沒(méi)有及時(shí)切換到接收狀態(tài)，而此時(shí)從機(jī)又回復(fù)數(shù)據(jù)，此時(shí)就會(huì)引起丟包，就會(huì)出現(xiàn)文章開(kāi)頭圖2中的情形。不幸的時(shí)，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運(yùn)行操作系統(tǒng)（Linux、WIndows等）以后，想要十分準(zhǔn)確控制方向引腳的高低電平已經(jīng)十分困難。
優(yōu)勢(shì)： 無(wú)需增加任何的硬件成本，且RS485的驅(qū)動(dòng)能力不受影響。
劣勢(shì)： 依賴(lài)于軟件控制方向引腳，如果運(yùn)行復(fù)雜的操作系統(tǒng)，控制引腳的優(yōu)先級(jí)不夠高，或者軟件的優(yōu)化的不夠好，都會(huì)導(dǎo)致方向引腳的切換不及時(shí)，到時(shí)數(shù)據(jù)的丟包。并且，是否丟包還取決于從機(jī)的回復(fù)時(shí)間，測(cè)試過(guò)程不一定能夠測(cè)試出來(lái)。

圖4 使用軟件控制方向切換

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(diǎn),出現(xiàn)了一種由RS觸發(fā)器控制的自動(dòng)換向技術(shù),如圖5所示。這個(gè)電路的關(guān)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(dāng)TXD信號(hào)線上發(fā)送數(shù)據(jù)的低電平起始位時(shí),反相器輸出高電平,通過(guò)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(dāng)TXD信號(hào)線轉(zhuǎn)換為高電平時(shí),反相器輸出低電平,電容通過(guò)電阻緩慢放電,使得R端暫時(shí)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間放電后,R端電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?/span>,則觸發(fā)器輸出低電平,把485芯片置回接收狀態(tài)。通過(guò)選擇電阻和電容值,我們可以控制放電速度,使得一個(gè)低電平的起始位足以在整個(gè)字節(jié)發(fā)送。此類(lèi)方案參數(shù)一致性非常差，實(shí)際使用的都是技高人膽大的。
優(yōu)勢(shì)： 無(wú)需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（取決于RS485芯片）。
劣勢(shì)： 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(shù) 3.溫度、老化、一致性等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致RC參數(shù)變化，從而導(dǎo)致切換時(shí)間錯(cuò)亂導(dǎo)致丟包。

圖5 使用觸發(fā)器切換方向

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(chēng)首款支持芯片自動(dòng)換向的RS485芯片，如下圖6，對(duì)比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引腳有兩個(gè)用于：
（1）/RE為低電平時(shí)，打開(kāi)RO方向的接收數(shù)據(jù)。 （2）/RE為高電平時(shí)，芯片進(jìn)入自動(dòng)方向切換模式。 一般使用我們將/RE連接高電平，即自動(dòng)換向模式。
由于美信沒(méi)有公布內(nèi)部的邏輯原理，只描述內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，我們只能外部猜測(cè)其工作原理： 1.空閑模式下，數(shù)據(jù)流方向?yàn)镽O方向；此為狀態(tài)1； 2.當(dāng)串口端有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，由于起始位為低電平，經(jīng)過(guò)邏輯功能D后，A＜B，經(jīng)過(guò)COM3.邏輯功能且反相后，RI為高電平。此狀態(tài)為數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)2。 4.經(jīng)過(guò)一系列的邏輯運(yùn)算（以RI、DI為輸入，但是不知道其內(nèi)部的原理）；狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，芯片變成接收狀態(tài)1。
優(yōu)勢(shì)： 由芯片自動(dòng)切換方向，無(wú)需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，通信速率高，MAX13488 宣稱(chēng)最高可以到16Mbps，與普通的RS485芯片性能一樣。
劣勢(shì)： 價(jià)格比普通的RS485芯片貴一倍以上。

圖6 MAX13487 內(nèi)部框圖

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(gè)相關(guān)的功能模塊：DC電源、隔離、RS485芯片三合一，封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)部，由于沒(méi)有內(nèi)部的資料，我們無(wú)法獲知其內(nèi)部的邏輯功能。官方資料宣稱(chēng)最高速率可以達(dá)到500Kbps，對(duì)于一般的應(yīng)用足以。
優(yōu)勢(shì)： 由芯片自動(dòng)切換方向，無(wú)需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，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(shì)： 價(jià)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)485 PHT 原理圖

六、總結(jié)
上述我們提供了5種RS485自動(dòng)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)485 PHT 。
反相器法由于驅(qū)動(dòng)能力太弱、速率太低，僅適用于要求不高的調(diào)試場(chǎng)合，工控場(chǎng)合慎選。
軟件控制法對(duì)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(shí)機(jī)較困難。