信號鏈基礎(chǔ)知識57:工業(yè)遠(yuǎn)距離通信使用的RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器

要求遠(yuǎn)距離或者在多個RS-232應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)RS-232數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┕I(yè)用數(shù)據(jù)鏈路，通常都使用RS-232到RS-485轉(zhuǎn)換器。盡管存在高達(dá)±13V的高信號擺幅，但RS-232仍然是一種非平衡或單端接口，而且本身極易受噪聲影響。它的總線最大長度被限定在20米（60英尺）左右。盡管允許進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)傳輸（通過一些單獨(dú)的信號導(dǎo)線同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)），但是RS-232并不支持在同一條總線上連接多個節(jié)點(diǎn)。與之形成鮮明對比的是，RS-485是一種使用差分信號傳輸?shù)钠胶饨涌?，從而讓其擁有較高的共模噪聲抗擾性。因此，延長RS-232數(shù)據(jù)鏈路傳輸距離和實(shí)現(xiàn)多總線節(jié)點(diǎn)連接，要求通過接口轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為RS-485信號（參見圖1）。圖 1 短距、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路到遠(yuǎn)距、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換圖2顯示了一個低功耗、隔離式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的原理圖。這里，一臺個人計(jì)算機(jī)（PC）的RS-232串行端口連接至左側(cè)的SUB-D9接口。圖2 使用自動選向控制的隔離式RS-232到RS-485轉(zhuǎn)換器。個人計(jì)算機(jī)串行端口包含一個RS-232驅(qū)動器和接收器芯片，芯片將其內(nèi)部5V邏輯信號轉(zhuǎn)換為接口處更高的±8V到±13V電平。這些高壓總線信號再通過另一個RS-232芯片轉(zhuǎn)換回標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，以同RS-485收發(fā)器進(jìn)行通信。在發(fā)送方向，485收發(fā)器將來自RS-232接收器輸出的邏輯信號轉(zhuǎn)換成差分總線信號。在接收方向，它將差分總線信號轉(zhuǎn)換成進(jìn)入RS-232驅(qū)動器輸入端的單端、低壓信號。RS-485收發(fā)器包括一個電容式隔離層，其實(shí)現(xiàn)總線端與邏輯控制端之間的電流隔離，從而消除了總線節(jié)點(diǎn)之間的接地電流。在總線端，這種轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)擁有數(shù)個確?？煽繑?shù)據(jù)傳輸?shù)脑?。跳線J1和J2在總線空載期間激活故障保護(hù)偏壓網(wǎng)絡(luò)。如果這種轉(zhuǎn)換器安裝在總線端，則通過跳線J3可以實(shí)現(xiàn)一個120歐姆端接電阻器。一個瞬態(tài)抑制器通過鉗制接地電位，保護(hù)收發(fā)器免受危險(xiǎn)瞬態(tài)過電壓的損害。為了將瞬態(tài)電流分流至地電位，要求使用一個高壓電容器，以在浮動總線接地和保護(hù)接地（PE）之間提供AC耦合。一般而言，我們使用一條短單芯導(dǎo)線（18 AWG）來實(shí)現(xiàn)到PE端或機(jī)殼接地的連接。信號通路隔離還要求電源隔離。這里，我們通過一個低壓降電壓調(diào)節(jié)器（LDO）對總線電源（3.3V到10V）進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后，把它用于收發(fā)器總線電源（Vcc2）和一個隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由變壓器驅(qū)動器、隔離變壓器和一個次LDO（為邏輯端電路供電）組成。更老一點(diǎn)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有時(shí)會使用一個請求發(fā)送信號（RTS）來將RS-485收發(fā)器從接模式切換到發(fā)送模式。但是，在一些計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，RTS生成接口軟件運(yùn)行在Windows®下，并非實(shí)時(shí)。因此，如果Windows決定將其處理時(shí)間用于另一個應(yīng)用程序、屏幕保護(hù)程序或者殺毒軟件，則RTS可能就無法實(shí)時(shí)地將收發(fā)器切換回接收模式，因此另一個總線節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)便可能會丟失。圖2所示轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)通過實(shí)現(xiàn)一種自動選向功能消除了出現(xiàn)上述狀況的可能性。這種自動選向檢測通過一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)器的輸出由232接收器輸出觸發(fā)為高。默認(rèn)情況下，RS-485收發(fā)器處于接收模式。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)輸出變?yōu)楦邥r(shí)，它便將收發(fā)器切換到發(fā)送模式。該單穩(wěn)態(tài)輸出的時(shí)間常量由一個R-C網(wǎng)絡(luò)定義。數(shù)據(jù)速率為9600 bps，2ms高態(tài)時(shí)間時(shí)，C = 220 nF，而R = 10 kOhm；數(shù)據(jù)速率為1200 bps，20ms高態(tài)時(shí)間時(shí)，R = 100 kOhm。當(dāng)高態(tài)時(shí)間結(jié)束后，單穩(wěn)態(tài)輸出再次回到低，從而將收發(fā)器切換回接收模式。盡管自動選向功能依賴于數(shù)據(jù)速率，但其仍然是防止數(shù)據(jù)丟失的一種可靠方法。下次，我們將討論多協(xié)議電路。這種電路允許在同類型接口線路之間實(shí)現(xiàn)RS-232或者RS-485數(shù)據(jù)傳輸。另外，下個月我們將介紹如何使用SPICE優(yōu)化右腿驅(qū)動放大器，以降低心電圖（ECG）前端的共模噪聲，敬請期待。如欲了解更多詳情，敬請?jiān)L問： www.ti.com/rs485-ca。