無極性RS422/RS485網(wǎng)絡(luò)的接線設(shè)計(jì)

1、問題提出

現(xiàn)在的很多測(cè)控系統(tǒng)是使用RS422或RS485總線互連的。RS422/485總線信號(hào)是由4(2)根有極性的差分信號(hào)來傳輸?shù)模荒軐⑵浞唇?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸距離長(zhǎng)或節(jié)點(diǎn)多時(shí)，在線路上的分續(xù)線盒也會(huì)很多，很容易將信號(hào)線在傳輸途中接反，從而造成信號(hào)無法正常傳輸。雖然可以查出故障點(diǎn)，但在分線盒很多時(shí)，也是一件很費(fèi)時(shí)的事情。為了布線方便，分續(xù)線盒的數(shù)量往往大于總線上的模塊數(shù)。對(duì)于室內(nèi)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)線路一般外加PVC線槽甚至暗埋于墻體內(nèi)；對(duì)于室外系統(tǒng)，線路一般架空或地下走線，造成對(duì)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(yīng)允許在途中隨意接線，不分極性。為此，需要各模塊既能接收?qǐng)D1（b）所示的正相信號(hào)，也能接收?qǐng)D1（c）所示的極性可能反相的RS422、RS485信號(hào)。

圖1  傳輸線反接錯(cuò)誤所引起的接收端信號(hào)波形改變

對(duì)于那些采取未經(jīng)任何編碼調(diào)制的基帶信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)的RS422/485系統(tǒng)，圖1中由于接線錯(cuò)誤將造成收信方無法正確接收數(shù)據(jù)；但如對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制后，即使途中出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，收方仍然能正確接收到數(shù)據(jù)，即在布線施工中可以無極性布線。

下面分別給出使用未調(diào)制信號(hào)和調(diào)制信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)2種情況下的無極性接線設(shè)計(jì)方法。先討論使用未編碼調(diào)制信號(hào)的情況。

2 、RS422信號(hào)線的無極性接線設(shè)計(jì)

RS422總線使用收發(fā)分開的信號(hào)線傳輸，各為2根信號(hào)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(hào)，見圖1（b）和圖1（c），首先要檢測(cè)到接線的錯(cuò)誤，其次才是更正接線錯(cuò)誤。這里希望通過網(wǎng)絡(luò)模塊電路來修正接線錯(cuò)誤，而不是通過更正錯(cuò)誤的傳輸線連接。

（1）  人工修正方法

對(duì)于MCU的UART來說，無信號(hào)傳送時(shí)，TX引腳為"1"電平，因此，RS422驅(qū)動(dòng)器的A端會(huì)為高電平，B端為低電平，此時(shí)，在接收模塊的A端也應(yīng)為固定高電平。圖2電路中，在一個(gè)接收端和GND之間連接一個(gè)LED，從而可以據(jù)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(guān)SW來人工調(diào)整模塊總線和接收模塊中RS422驅(qū)動(dòng)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(jìn)行配合。在調(diào)整時(shí)，發(fā)送方不能發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是總線上的差動(dòng)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(jiǎn)便一些。

（2）  自動(dòng)修正方法

如果在總線輸入端子和RS422驅(qū)動(dòng)器之間用電磁繼電器（或模擬開關(guān)）代替拔碼開關(guān)SW，就可以通過軟件來自動(dòng)控制總線A、B端的切換。檢查是否存在錯(cuò)誤接線也可通過軟件進(jìn)行，只要發(fā)送端發(fā)送一個(gè)和收方約定的固定內(nèi)容數(shù)據(jù)，如果收方不能正確收到，則表明接線錯(cuò)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(guān)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)線路阻抗和傳輸速度的影響。

3、RS485信號(hào)線的無極性接線設(shè)計(jì)

RS485總線中的發(fā)送和接收信號(hào)共用一對(duì)線，使用的驅(qū)動(dòng)器可分為兩類：一類是像SN75176之類的驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部已經(jīng)將Rx和Tx信號(hào)接到一起；另一類是使用RS422方式的驅(qū)動(dòng)器，如發(fā)送和接收使用2個(gè)芯片，如SN75177（接收驅(qū)動(dòng)器）加SN75178（發(fā)送驅(qū)動(dòng)器），或者收發(fā)驅(qū)動(dòng)器集成在1個(gè)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(duì)于后者（使用收發(fā)引腳獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器），無極性設(shè)計(jì)的方法仍然類同于RS422方式；對(duì)于前者，由于收發(fā)信號(hào)的同相端在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部已經(jīng)短路，無法在接收驅(qū)動(dòng)器增加電路，不能達(dá)到無極性信號(hào)傳輸?shù)哪康摹?/p>

可見，在RS485網(wǎng)絡(luò)中，模塊必須使用獨(dú)立收發(fā)引腳的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，才能增加無極性設(shè)計(jì)電路。[!--empirenews.page--]

4 、使用限制

以上方法只適合于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從式RS422/485網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于RS422網(wǎng)絡(luò)來說，在主模塊中的接收驅(qū)動(dòng)器不能加修正電路，而應(yīng)調(diào)整到發(fā)送模塊的發(fā)送端。因?yàn)樵趶哪K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(cuò)誤。對(duì)于RS485網(wǎng)絡(luò)來說，只要在從模塊的驅(qū)動(dòng)器接收端增加調(diào)整電路就可以了。

對(duì)于各模塊平等通信的RS422/485網(wǎng)絡(luò)來說，一個(gè)模塊可能和其它模塊之間的接線既有正確，又有錯(cuò)誤，因此通過此方法來修正。

5、采取調(diào)制信號(hào)傳輸消除信號(hào)極性

使用以上2種（手動(dòng)設(shè)置或軟件自動(dòng)配置）使模塊可以接收任意極性信號(hào)的方法雖然可行，但仍然有一些麻煩：手動(dòng)設(shè)置仍然會(huì)帶來施工的不便，而自動(dòng)配置會(huì)增加軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了可靠性。此外，以上方法也只適用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)不能使用。

另外一種消除信號(hào)極性的方法就是在對(duì)信號(hào)編碼調(diào)制后傳送，使調(diào)制后的信號(hào)是無極性要求的。在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，最常用的無極性信號(hào)調(diào)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(hào)的編碼原則是：

◇ 在信號(hào)位中間總是將信號(hào)反相；

◇ 在信號(hào)位開始時(shí)不改變信號(hào)極性，表示邏輯"1"；

◇ 在信號(hào)位開始時(shí)改變信號(hào)極性，表示邏輯"0"。

由此可見，經(jīng)差分曼徹斯特編碼的信號(hào)，見圖3（b），經(jīng)過由于接線錯(cuò)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(diào)出原始數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖3  差分曼徹斯特編碼信號(hào)及其反相

為了在RS422/485網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)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(shí)鐘。對(duì)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?shù)牟ㄌ芈蕰r(shí)鐘和編碼電路時(shí)鐘必須使用同一時(shí)鐘源。以下給出圖4所示的實(shí)現(xiàn)框圖，具體實(shí)現(xiàn)電路這里不再詳細(xì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行差分曼徹斯特編碼調(diào)制后傳輸（同時(shí)包含一個(gè)隔離變壓器）。

圖4  使用差分曼徹斯特編碼產(chǎn)生無極性信號(hào)

6、直流供電的無極性接線設(shè)計(jì)

在RS422/485網(wǎng)絡(luò)中，常采用集中+5 V、+12 V或+24 V直流對(duì)所有模塊進(jìn)行供電，如線路較長(zhǎng)，一般使用+24 V電源，較短時(shí)使用+5 V或+12 V電源。同信號(hào)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(yīng)能使用正相和反相接線2種情況的輸入電源。和信號(hào)不同，2根電源線雖然可能反接，線間的電位差始終是一個(gè)極性，要么為正，要么為負(fù)，因此，可以在模塊電源輸入處增加一個(gè)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(wǎng)絡(luò)的無極性電源接收電路