使用多協(xié)議收發(fā)器簡(jiǎn)化RS485和RS232系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

RS232 和 RS4851數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)盡管年代相對(duì)較高，但如今仍在廣泛使用——RS232 是在大約 50 年前推出的;RS485，30年前。在當(dāng)今瞬息萬(wàn)變的電子領(lǐng)域，任何標(biāo)準(zhǔn)的這種壽命都并不常見(jiàn)，消費(fèi)者需求可能會(huì)在幾年內(nèi)迫使過(guò)時(shí)。

盡管個(gè)人計(jì)算機(jī)上曾經(jīng)無(wú)處不在的RS232端口已在很大程度上被USB取代，但RS232在需要堅(jiān)固，短距離，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的應(yīng)用中繼續(xù)激增，例如傳感器，測(cè)試設(shè)備，設(shè)備編程和診斷。

同樣，RS485 因其在惡劣環(huán)境中的高性能而蓬勃發(fā)展。其差分信號(hào)方案和寬共模容差提供了出色的抗噪性，允許在相對(duì)較長(zhǎng)的距離上進(jìn)行高速通信。也許RS485標(biāo)準(zhǔn)中同樣重要的是能夠在一條總線上將多個(gè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，從而減少布線開(kāi)銷(xiāo)。RS485被指定為許多現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的物理層，包括PROFIBUS和INTERBUS。

為了簡(jiǎn)化 RS485 和 RS232 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，LTC2870 和 LTC2871 多協(xié)議收發(fā)器在單個(gè)器件上集成了這兩種類(lèi)型的收發(fā)器。兩款器件均支持單RS485收發(fā)器高達(dá)20Mbps的數(shù)據(jù)速率和2個(gè)RS232收發(fā)器高達(dá)500kbps的數(shù)據(jù)速率。

這些器件旨在支持各種應(yīng)用，其特性使其具有靈活性和魯棒性：

它們可接受 3V 至 5.5V 的寬輸入電源電壓范圍以及一個(gè)邏輯電源引腳，允許使用低至 1.7V 的數(shù)字接口，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。

集成端接電阻器自動(dòng)接合，以兼容 RS232 或 RS485 操作。

半雙工和全雙工控制和環(huán)回功能提供系統(tǒng)可配置性和診斷功能。

穩(wěn)健的性能允許在總線引腳上高達(dá) 26kV 的 ESD 沖擊期間連續(xù)工作。

兩款器件均采用小型QFN和TSSOP封裝。

LTC2870 和 LTC2871 的不同之處在于其收發(fā)器 I/O 的引腳排列方式以及控制方式。LTC2870 提供了兩個(gè) RS232 收發(fā)器，它們與一個(gè) RS485 收發(fā)器共享一個(gè) I/O 引腳。它可以在RS232模式或RS485模式下運(yùn)行，但不能同時(shí)在兩者下運(yùn)行。LTC2871 通過(guò)將 RS485 和 RS232 收發(fā)器分別引腳連接，使所有收發(fā)器能夠同時(shí)工作，如表 1 所示，從而提供了額外的靈活性。圖2顯示了每個(gè)器件的簡(jiǎn)化框圖。

圖2.LTC2870 和 LTC2871 的簡(jiǎn)化框圖。

應(yīng)用

LTC2870 和 LTC2871 可采用多種方式進(jìn)行配置。這些設(shè)備的應(yīng)用分為三大類(lèi)：

固定接口：LTC2870 或 LTC2871 可永久配置為一個(gè) RS232 或 RS485 接口。例如，圖 3 顯示了 LTC2870 的兩種工作模式。如果提供兩個(gè)版本的產(chǎn)品，每個(gè)接口一個(gè)版本，則多協(xié)議收發(fā)器可最大限度地減少設(shè)計(jì)差異，減少庫(kù)存并簡(jiǎn)化產(chǎn)品認(rèn)證。

圖3.LTC2870 配置為 RS232 （a） 或 RS485 （b） 通信。RS485 配置還顯示 RS485 端接電阻器可選擇與 TE485 引腳連接高電平切換。

使用共享連接器進(jìn)行原位配置更改： 某些應(yīng)用要求在正常產(chǎn)品使用期間在RS232和RS485之間切換信令接口。例如，報(bào)警系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可能通過(guò)RS485通信總線與其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。但是，該節(jié)點(diǎn)可以配置為本地RS232訪問(wèn)，從而允許編程或診斷。信號(hào)引腳在RS485和RS232收發(fā)器之間共享，在任何給定時(shí)間都有一個(gè)收發(fā)器處于活動(dòng)狀態(tài)，如圖4所示。

圖4.LTC2870 協(xié)議切換，使用 485/232 引腳。示波器跡線顯示驅(qū)動(dòng)器輸出在模式變化期間切換數(shù)據(jù)。

LTC2870 通過(guò)控制 485/232 引腳在 RS232 和 RS485 之間切換模式，這可通過(guò)處理器控制、手動(dòng)跳線設(shè)置或?qū)⒁_連接至 V 的特定于協(xié)議的電纜來(lái)操縱L或地面。LTC2871 可以以類(lèi)似的方式使用，但能夠獨(dú)立訪問(wèn)所有信號(hào)引腳。

同時(shí)操作。某些應(yīng)用需要并發(fā) RS485 和 RS232 通信。例如，在銷(xiāo)售點(diǎn)應(yīng)用中，收銀機(jī)可以通過(guò)RS485與服務(wù)器通信，但也接受來(lái)自配備RS232的鍵盤(pán)的輸入。LTC2871 具有完全獨(dú)立的 RS232 和 RS485 收發(fā)器，利用單個(gè) IC 為每個(gè)協(xié)議提供單獨(dú)的端子。同時(shí)使用的另一個(gè)示例是RS232和RS485協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。圖 5 示出了配置為 RS232 4000 英尺“延長(zhǎng)線”的 LTC2871，其實(shí)現(xiàn)方式是將長(zhǎng)電纜線路轉(zhuǎn)換為 RS485，并在末端轉(zhuǎn)換回 RS232。

圖5.RS232“延長(zhǎng)線”采用 LTC2871 的同步 RS232 和 RS485 通信模式。

整體勝于各部分之和

與簡(jiǎn)單地組合獨(dú)立的RS485和RS232收發(fā)器相比，使用多協(xié)議器件（例如具有共享RS485和RS232接口引腳的LTC2870）具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，通過(guò)將兩個(gè)收發(fā)器的功能組合在一個(gè)器件中，可以減少電路板上的整體尺寸。其次，RS232 上的所有接口引腳都可以承受 ±15V 的輸入。大多數(shù) RS485 設(shè)備只能承受 –7 至 12V 的電壓，因此將此類(lèi)設(shè)備連接到 RS232 引腳會(huì)降低共享引腳額定值。

也許組合單個(gè)RS485和RS232收發(fā)器的最大障礙是每個(gè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中使用的端接電阻。這種情況如圖6所示，其中兩個(gè)不同的設(shè)備連接到同一總線。RS232接收器的輸入電阻規(guī)定為5k（標(biāo)稱(chēng)值），用作與其連接的RS232驅(qū)動(dòng)器的終端電阻。另一方面，如果差分RS485接收器位于信號(hào)總線的末端，則可以在其輸入端端接120Ω電阻，以減少信號(hào)反射。挑戰(zhàn)在于切換所選收發(fā)器模式下不需要的電阻。例如，在RS485模式下，不應(yīng)存在5k電阻，同樣，在RS232模式下，不得存在120Ω差分端接。

圖6.當(dāng)單獨(dú)的RS232和RS485收發(fā)器組合使用時(shí)，端接電阻會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

LTC2870 和 LTC2871 可根據(jù)需要利用內(nèi)部組件在端接方案之間無(wú)縫切換。

無(wú)需外部端接元件或繼電器來(lái)控制它們。此外，RS485 120Ω 終端電阻可以通過(guò)將 TE485 引腳設(shè)置為低電平在任何模式下禁用，這在收發(fā)器未位于總線末端時(shí)非常有用。表 2 總結(jié)了 LTC2870 中的端接控制。

LTC2871 提供了類(lèi)似的控制，但由于 RS232 和 RS485 引腳不是共用的，因此如果需要，可以同時(shí)接合所有終端電阻器。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)。

關(guān)于RS485終端電阻的一些細(xì)節(jié)

RS485 通過(guò)包含一對(duì)或多對(duì)雙絞線的總線進(jìn)行差分通信。如果驅(qū)動(dòng)到總線的信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間明顯小于負(fù)載和返回的往返延遲，則需要使用特性阻抗與總線特性阻抗匹配的電阻對(duì)總線進(jìn)行差分端接。此終端應(yīng)放置在總線的接收器端或總線的兩端，但不能放在兩者之間。沒(méi)有端接或端接不當(dāng)會(huì)引入反射，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的波形失真。2

當(dāng) LTC2870 或 LTC2871 上的 RS485 端接使能時(shí)，120Ω 差分電阻器連接在接收器輸入 A 和 B 以及驅(qū)動(dòng)器輸出 Y 和 Z 兩端。當(dāng)該器件主動(dòng)驅(qū)動(dòng)總線時(shí)，驅(qū)動(dòng)器終止并不是絕對(duì)必要的，例如圖7中的主器件。但是，在圖7所示總線遠(yuǎn)端的從機(jī)等應(yīng)用中，Y至Z端接是必需的，其中另一個(gè)器件驅(qū)動(dòng)總線。

圖7.全雙工網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配備 LTC2870/71。

RS485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電纜的特性阻抗為120Ω，而RS422規(guī)定電纜的特性阻抗為100Ω。這些電纜通常包含一根或多根雙絞線以及接地屏蔽或接地線（有時(shí)稱(chēng)為排水線）。作為屏蔽雙絞線的替代方案，非屏蔽 100Ω 5 類(lèi) （CAT5） 電纜越來(lái)越多地應(yīng)用于 RS485 和 RS422 系統(tǒng)中，作為一種經(jīng)濟(jì)的替代方案。

LTC2870 和 LTC2871 在采用 100Ω 或 120Ω 電纜時(shí)表現(xiàn)同樣出色。即使使用標(biāo)稱(chēng)值為120Ω的內(nèi)部端接電阻來(lái)端接100Ω電纜，阻抗失配對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)的影響也可以忽略不計(jì)。例如，在100Ω電纜的每一端使用120Ω端接的效果是在接收器端產(chǎn)生約10%的過(guò)沖，持續(xù)時(shí)間等于電纜中單向傳播延遲的兩倍。在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，這種與理想的小偏差很容易容忍，并且可以提高性能，這就是PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)指定類(lèi)似端接不匹配的原因。

圖 8 顯示了使用 LTC2871 內(nèi)部 120Ω 端接電阻器端接 100 英尺 CAT5e 電纜與用 100Ω 端接的同一電纜相比的結(jié)果。雖然內(nèi)部終結(jié)器與100Ω電纜不匹配，但除了接收信號(hào)開(kāi)始時(shí)幅度略有增加外，對(duì)整體信號(hào)幾乎沒(méi)有影響，這可以通過(guò)增加信號(hào)過(guò)驅(qū)和噪聲容限來(lái)提高系統(tǒng)性能。正常的電纜變化、短截線反射和不連續(xù)性對(duì)信號(hào)完整性的影響要大得多。該圖還顯示了在接收端未端接電纜的破壞性影響，其中反射會(huì)大大降低信號(hào)。

圖8.使用 LTC2871 在 Cat5e 電纜上驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并比較端接電阻的影響。頂部的示波器跡線顯示電纜從動(dòng)端（Y – Z）處的差分信號(hào)，底部的示波器跡線顯示穿過(guò)電纜（A – B）后接收到的差分信號(hào)。

內(nèi)部RS232電源足以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)收發(fā)器

RS232信號(hào)在單根導(dǎo)線上以超過(guò)5V和–5V的電平相對(duì)于地驅(qū)動(dòng)。LTC2870 和 LTC2871 中集成了一個(gè) DC/DC 升壓型轉(zhuǎn)換器和容性逆變器，以產(chǎn)生用于支持這些驅(qū)動(dòng)電平的正電壓和負(fù)電壓，同時(shí)采用單 3V–5.5V 電源工作。唯一需要的外部元件是一個(gè)用于升壓電壓的 10μH 電感器和一個(gè)用于電壓反轉(zhuǎn)的 220nF 電容，以及生成的 V 上的旁路電容DD和 V電子電氣鐵軌。圖 9 示出了在典型應(yīng)用中配置的 LTC2870 或 LTC2871，具有所有必需的外部組件。

圖9.圖中顯示了與外部元件的典型電源連接。

兩個(gè) LTC2870 或 LTC2871 器件可由一個(gè)器件的內(nèi)部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器同時(shí)供電，從而減少了外部組件的數(shù)量。圖 10 示出了兩個(gè) LTC2870、兩個(gè) LTC2871 或各一個(gè)共享一個(gè)內(nèi)部 RS232 電源。

圖 10.從單個(gè)共享 DC/DC 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行兩個(gè) LTC2870 或 LTC2871。

邏輯電源引腳支持 1.7V 至 5.5V 電源

一個(gè)單獨(dú)的邏輯電源引腳 VL允許 LTC2870 和 LTC2871 與 1.7V 至 5.5V 的任何邏輯信號(hào)接口。所有邏輯 I/O 均使用 VL作為他們的高供應(yīng)?？蛇x，VL可以綁定到 V抄送.圖 11 示出了與一個(gè)低電壓微處理器配合使用的 LTC2870 或 LTC2871。

圖 11.五世L引腳允許低電壓邏輯接口。

RS485平衡接收器和故障安全

故障安全操作是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述接收器如何對(duì)各種條件做出反應(yīng)，其中大多數(shù)是故障。可預(yù)測(cè)的故障處理對(duì)于穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。LTC2870 和 LTC2871 接收器可產(chǎn)生一種高輸出 （稱(chēng)為故障安全條件），以響應(yīng)以下所有條件：

怠速巴士?？偩€上的所有驅(qū)動(dòng)器均禁用高阻抗輸出。這種情況實(shí)際上不是故障;這是RS485中的正常操作模式。一些接收器本身無(wú)法支持這一點(diǎn)，但需要一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)偏置總線上的差分信號(hào)，使接收器將其檢測(cè)為高輸入。無(wú)論總線是否端接，LTC2870 和 LTC2871 都無(wú)需總線偏置網(wǎng)絡(luò)即可支持此功能。

斷開(kāi)的總線。此類(lèi)故障安全操作是指接收器與總線斷開(kāi)連接的情況。這類(lèi)似于空閑總線狀態(tài)，但確實(shí)是一種故障情況。依靠總線偏置電阻處理空閑總線條件的接收器無(wú)法正確響應(yīng)此類(lèi)故障。

短路總線。在這種情況下，接收器輸入被短路在一起。一些接收器為開(kāi)路但不短路的輸入提供故障安全操作。同樣，總線偏置電阻對(duì)于短路總線條件無(wú)效。

許多現(xiàn)代RS485接收器通過(guò)在差分閾值中引入負(fù)偏移來(lái)滿足故障安全要求。這樣，每當(dāng)總線短路或未驅(qū)動(dòng)但終止時(shí)，接收器的輸入為零，這被解釋為高電平。在這種情況下，接收器是不平衡的，因?yàn)殚撝翟诹惴兀ú罘中盘?hào)的平均值）附近不對(duì)稱(chēng)。

不平衡接收器會(huì)為通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸產(chǎn)生的微弱信號(hào)引入嚴(yán)重的信號(hào)脈寬和占空比失真。

LTC2870 和 LTC2871 使用一個(gè)具有 65mV 上升門(mén)限和一個(gè) –65mV 下降門(mén)限的平衡接收器，用于在不到 2μs 的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換通過(guò)該窗口的信號(hào)，如圖 12 所示。如果差分信號(hào)在此窗口內(nèi)徘徊超過(guò)2μs，則正門(mén)限降至–40mV，以支持所有故障安全工作模式，如前所述。與非平衡接收器相比，平衡接收器架構(gòu)允許通過(guò)更長(zhǎng)的電纜進(jìn)行傳輸，并且由于典型通信具有 130mV 的寬有效差分輸入信號(hào)遲滯，因此具有出色的抗噪性。

圖 12.（a） 用于快速移動(dòng)信號(hào)的RS485接收器輸入閾值特性。（b） 測(cè)量的 3Mbps 信號(hào)從 4000 英尺的 CAT5e 電纜上驅(qū)動(dòng)。頂部跡線：通過(guò)電纜傳輸后的接收器信號(hào);中間軌跡：顯示前兩個(gè)信號(hào)差異的數(shù)學(xué)運(yùn)算;底部跡線：接收器輸出，表現(xiàn)出出色的占空比。

圖 12 重點(diǎn)介紹了 LTC2871 平衡接收器的性能，其中信號(hào)以 3Mbps 的速度通過(guò) 4000 英尺的 CAT5e 電纜驅(qū)動(dòng)。盡管差分信號(hào)的峰值略高于±100mV，邊沿較慢，但輸出仍保持近乎完美的信號(hào)，接收器幾乎沒(méi)有引入占空比失真。

雙工和環(huán)回控制

RS485 網(wǎng)絡(luò)可以采用 2 線半雙工配置或 4 線全雙工配置進(jìn)行布線。在某些系統(tǒng)中，接口可能需要同時(shí)支持兩者。LTC2870 和 LTC2871 通過(guò) H/F 引腳提供了動(dòng)態(tài)靈活性。當(dāng)H/F控制為低電平時(shí)，器件處于全雙工模式，驅(qū)動(dòng)器輸出位于Y和Z引腳上，接收器輸入位于A和B引腳上。如果 H/F 引腳為高電平，RS485 收發(fā)器將進(jìn)入半雙工模式，接收器從 Y 和 Z 引腳獲取輸入。這與終端控制無(wú)縫協(xié)作，對(duì)RS232操作沒(méi)有影響。圖 13 顯示了說(shuō)明這種靈活性的簡(jiǎn)化框圖。

圖 13.LTC2870 中的 RS485 全雙工和半雙工控制。

LTC2870 和 LTC2872 還具有一種邏輯環(huán)回功能，該功能可用于診斷和用作調(diào)試工具。環(huán)回模式適用于 RS232 和 RS485 收發(fā)器，并提供從驅(qū)動(dòng)器輸入引腳到相應(yīng)接收器輸出引腳的邏輯路徑。驅(qū)動(dòng)器和接收器未參與環(huán)路;僅使用邏輯緩沖器。這允許在不干擾總線的情況下運(yùn)行診斷測(cè)試?；蛘?，在環(huán)回期間，只需啟用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序即可驅(qū)動(dòng)總線。圖 14 顯示了環(huán)回操作。

圖 14.LTC2871 中的邏輯環(huán)回控制。無(wú)論是否啟用驅(qū)動(dòng)程序，環(huán)回都有效。

更多應(yīng)用

LTC2870 和 LTC2871 的豐富功能集使得構(gòu)建原本難以生產(chǎn)的應(yīng)用成為可能。例如，圖15顯示了一個(gè)RS485接收器，該接收器利用半雙工和全雙工控制進(jìn)行多路復(fù)用輸入。

圖 15.RS485接收器，帶多路復(fù)用輸入。

圖 16 顯示了如何將兩個(gè) LTC2871 器件組合在一起，以構(gòu)成一個(gè)具有可選線路或邏輯接口的三通道 RS232 收發(fā)器。此應(yīng)用使用 CH2 引腳，選擇性地禁用第二個(gè) RS232 收發(fā)器。

圖 16.RS232 三路收發(fā)器，具有可選的線路接口 （a） 和邏輯接口 （b）。

禁用時(shí)，驅(qū)動(dòng)器和接收器輸出不被驅(qū)動(dòng)，接收器輸入變?yōu)楦咦钁B(tài)。這允許這些引腳連接到另一個(gè)設(shè)備上的相同引腳，其CH2引腳以第一個(gè)引腳的互補(bǔ)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)。

結(jié)論

LTC?2870 和 LTC2871 是靈活的 3V 至 5.5V 多協(xié)議收發(fā)器，它們?cè)诠蚕?I/O 引腳 （LTC2870） 或單獨(dú)的 I/O 引腳 （LTC2871） 上使用 RS485 和 RS232 信號(hào)進(jìn)行通信。集成的可選端接和雙工控制允許使用最少的外部組件輕松配置。

審核編輯：郭婷