RS422/RS485網絡的無極性接線設計

摘要 給出一種RS422/485網絡中，模塊可以接收任意極性直流供電和總線信號的設計方法。該方法允許將2根信號線或直流電源線在傳輸途中任意極性續(xù)接，容忍了布線施工中的反接差錯，使工程施工大為方便

關鍵詞 RS422 RS485 無極性 分續(xù)線盒 整流電橋 差分曼徹斯特

1、問題提出

現在的很多測控系統(tǒng)是使用RS422或RS485總線互連的。RS422/485總線信號是由4(2)根有極性的差分信號來傳輸的，不能將其反接。當網絡傳輸距離長或節(jié)點多時，在線路上的分續(xù)線盒也會很多，很容易將信號線在傳輸途中接反，從而造成信號無法正常傳輸。雖然可以查出故障點，但在分線盒很多時，也是一件很費時的事情。為了布線方便，分續(xù)線盒的數量往往大于總線上的模塊數。對于室內系統(tǒng)，網絡線路一般外加PVC線槽甚至暗埋于墻體內；對于室外系統(tǒng)，線路一般架空或地下走線，造成對線路反接問題的查找和修正很困難。另一方面，為了施工方便，也應允許在途中隨意接線，不分極性。為此，需要各模塊既能接收圖1（b）所示的正相信號，也能接收圖1（c）所示的極性可能反相的RS422、RS485信號。

圖1  傳輸線反接錯誤所引起的接收端信號波形改變

對于那些采取未經任何編碼調制的基帶信號來傳輸數據的RS422/485系統(tǒng)，圖1中由于接線錯誤將造成收信方無法正確接收數據；但如對信號進行適當的調制后，即使途中出現接線錯誤，收方仍然能正確接收到數據，即在布線施工中可以無極性布線。

下面分別給出使用未調制信號和調制信號傳輸數據2種情況下的無極性接線設計方法。先討論使用未編碼調制信號的情況。

2 、RS422信號線的無極性接線設計

RS422總線使用收發(fā)分開的信號線傳輸，各為2根信號線。為了使RS422接收器能夠接收總線上傳來的2種極性的信號，見圖1（b）和圖1（c），首先要檢測到接線的錯誤，其次才是更正接線錯誤。這里希望通過網絡模塊電路來修正接線錯誤，而不是通過更正錯誤的傳輸線連接。

（1）  人工修正方法

對于MCU的UART來說，無信號傳送時，TX引腳為"1"電平，因此，RS422驅動器的A端會為高電平，B端為低電平，此時，在接收模塊的A端也應為固定高電平。圖2電路中，在一個接收端和GND之間連接一個LED，從而可以據此判斷該端是和發(fā)送端A相連，還是和發(fā)送端B相連，然后通過4位撥碼開關SW來人工調整模塊總線和接收模塊中RS422驅動器接收輸入的連接。

圖2  RS422總線傳輸中的無極性接收電路

人工修正方法需要發(fā)送模塊在軟件上進行配合。在調整時，發(fā)送方不能發(fā)送數據，也就是總線上的差動電壓為固定的。這種方法，雖然有些麻煩，但在一些情況下，比起檢查和修正線路來還是要簡便一些。

（2）  自動修正方法

如果在總線輸入端子和RS422驅動器之間用電磁繼電器（或模擬開關）代替拔碼開關SW，就可以通過軟件來自動控制總線A、B端的切換。檢查是否存在錯誤接線也可通過軟件進行，只要發(fā)送端發(fā)送一個和收方約定的固定內容數據，如果收方不能正確收到，則表明接線錯誤，就控制繼電器切換總線連接；否則，不切換。必須注意的是，使用模擬開關時，應注意對線路阻抗和傳輸速度的影響。

3、RS485信號線的無極性接線設計

RS485總線中的發(fā)送和接收信號共用一對線，使用的驅動器可分為兩類：一類是像SN75176之類的驅動器，在驅動器內部已經將Rx和Tx信號接到一起；另一類是使用RS422方式的驅動器，如發(fā)送和接收使用2個芯片，如SN75177（接收驅動器）加SN75178（發(fā)送驅動器），或者收發(fā)驅動器集成在1個芯片上，如SNLBC75179、MAX488、MAX490等，這種情況下，在線路板上將收發(fā)的同相端短接。對于后者（使用收發(fā)引腳獨立的驅動器），無極性設計的方法仍然類同于RS422方式；對于前者，由于收發(fā)信號的同相端在驅動器內部已經短路，無法在接收驅動器增加電路，不能達到無極性信號傳輸的目的。

可見，在RS485網絡中，模塊必須使用獨立收發(fā)引腳的驅動器時，才能增加無極性設計電路。

4 、使用限制

以上方法只適合于點對多點的主從式RS422/485網絡。對于RS422網絡來說，在主模塊中的接收驅動器不能加修正電路，而應調整到發(fā)送模塊的發(fā)送端。因為在從模塊發(fā)送而主模塊接收的情況下，可能部分模塊和主模塊之間的連接正確，部分模塊和主模塊之間的連接錯誤。對于RS485網絡來說，只要在從模塊的驅動器接收端增加調整電路就可以了。

對于各模塊平等通信的RS422/485網絡來說，一個模塊可能和其它模塊之間的接線既有正確，又有錯誤，因此通過此方法來修正。

5、采取調制信號傳輸消除信號極性

使用以上2種（手動設置或軟件自動配置）使模塊可以接收任意極性信號的方法雖然可行，但仍然有一些麻煩：手動設置仍然會帶來施工的不便，而自動配置會增加軟件設計的復雜度，降低了可靠性。此外，以上方法也只適用于點對多點的主從通信網絡，對于節(jié)點對等網絡不能使用。

另外一種消除信號極性的方法就是在對信號編碼調制后傳送，使調制后的信號是無極性要求的。在數據傳輸領域，最常用的無極性信號調制方法是使用差分曼徹斯特編碼，其波形如圖3所示。

差分曼徹斯特編碼信號的編碼原則是：

◇ 在信號位中間總是將信號反相；

◇ 在信號位開始時不改變信號極性，表示邏輯"1"；

◇ 在信號位開始時改變信號極性，表示邏輯"0"。

由此可見，經差分曼徹斯特編碼的信號，見圖3（b），經過由于接線錯誤變成反相的波形后，見圖3（c），仍然符合此定義，從而可以解調出原始數據信號。

圖3  差分曼徹斯特編碼信號及其反相

為了在RS422/485網絡中實現差分曼徹斯特編碼，需要在UART和RS422/485芯片之間增加編碼電路。差分曼徹斯特編碼屬于自同步編碼，因此需要時鐘。對于工作于異步方式的UART來說，可以使用GAL器件完成編碼和解碼，但用于控制UART異步傳輸的波特率時鐘和編碼電路時鐘必須使用同一時鐘源。以下給出圖4所示的實現框圖，具體實現電路這里不再詳細敘述。也可以使用專用芯片完成編碼和解碼，比如采用Echelon公司的FTT-10A收發(fā)器。該收發(fā)器對信號進行差分曼徹斯特編碼調制后傳輸（同時包含一個隔離變壓器）。

圖4  使用差分曼徹斯特編碼產生無極性信號

6、直流供電的無極性接線設計

在RS422/485網絡中，常采用集中+5 V、+12 V或+24 V直流對所有模塊進行供電，如線路較長，一般使用+24 V電源，較短時使用+5 V或+12 V電源。同信號線一樣，電源線也同樣存在反接問題，基于同樣目的和原因，模塊也應能使用正相和反相接線2種情況的輸入電源。和信號不同，2根電源線雖然可能反接，線間的電位差始終是一個極性，要么為正，要么為負，因此，可以在模塊電源輸入處增加一個整流電橋，在電橋的輸出端就始終能得到正極性的+24 V或+12 V、+5 V電壓供自己使用了，如圖5所示。

圖5  集中直流供電網絡的無極性電源接收電路