RS-485適用于長距離電纜線路上的多點應用

盡管藍牙、以太網(wǎng)和其他連接選項普及廣泛并支持高數(shù)據(jù)速率，但工業(yè)應用設計人員仍然需要確保以最低成本獲得最可靠的連接。此外，連接選項的用戶基數(shù)也帶來了限制。

鑒于這些以及其他原因，傳統(tǒng) 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 接口目前仍在廣泛使用和不斷改進，并應用于新裝置中。這兩種選項的優(yōu)勢不僅在于其大量的用戶基數(shù)，如果運用得當，它們可以有效解決接口問題，并且麻煩最少。

電流環(huán)路和 RS-485 的優(yōu)點在于其設計導入、設置和故障排除均很簡單。此外，電流環(huán)路和 RS-485 標準僅定義了七層網(wǎng)絡模型中的最低層，即物理接口層，并未定義特定握手協(xié)議或數(shù)據(jù)格式。因此，用戶可根據(jù)需要選擇低復雜度或高復雜度應用方式，以最小的系統(tǒng)負擔，有效解決其特定變送器接口問題。

為了讓設計人員充分利用 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 變送器接口格式的特性，IC 供應商已設法拓寬這些傳統(tǒng)接口的應用范圍和多功能性。同時，為簡化使用、提高性能和可靠性，供應商正不斷增加功能和特性。

本文將回顧 RS-485 和 4-20 mA 電流環(huán)路變送器接口的基礎(chǔ)知識。然后將介紹接口解決方案，解釋其增強功能和性能特征，以及如何利用它們解決實際設計問題。

回顧接口基礎(chǔ)知識

盡管 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 均廣泛用于工業(yè)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (SCADA)，但采用的接口方式截然不同。它們?yōu)閳蟾嫖锢硪蛩兀ɡ鐪囟取㈤_關(guān)位置和電機狀況）或發(fā)送操作指令（例如調(diào)節(jié)閥門設置和電機速度）的變送器提供電氣連接。

4-20 mA 模擬電流環(huán)路（也稱為 20 mA 環(huán)路或 0-20 mA 環(huán)路）是一個非常古老的標準，可追溯到使用電路技術(shù)替代氣動信號的早期年代。其原理非常簡單：4 mA 電流代表“無信號”，而 20 mA 代表滿量程信號（圖 1）。例如，此信號可以是一個經(jīng)調(diào)節(jié)的熱電偶讀數(shù)，或是一個發(fā)送閥門開/關(guān)操作指令的信號。

圖 1：4-20 mA 電流環(huán)路的原理很簡單：用模擬電流代表傳感器信號，其中 4 mA 代表零輸出，20 mA 代表滿量程輸出；它也可用來驅(qū)動變送器。（圖片來源：National Instruments）

顧名思義，電流環(huán)路并非是類似總線的標準，相反，每個變送器都有自己的環(huán)路。由于電流環(huán)路是低阻抗電路（與電壓互連不同），因此環(huán)路對干擾噪聲和 EMI/RFI 拾取相對不敏感，而二者在工業(yè)環(huán)境中都很常見。

盡管每臺變送器使用一個環(huán)路的線纜成本較高，但這也意味著每臺變送器均采用獨立接口；因此，任何給定環(huán)路出現(xiàn)諸如短路或開路問題，都不會對其他環(huán)路產(chǎn)生影響，從而使設計人員更具信心。此外，如果電流降至 0 mA，而最低有效變送器信號為 4 mA，因此系統(tǒng)可以輕松檢測環(huán)路斷線。

最后，可使用環(huán)路電流本身為變送器及其接口供電，僅使用非用于環(huán)路信號范圍的 4 mA 電流即可。由于每個變送器不需要單獨環(huán)路電源，因此系統(tǒng)實施成本很低。

相比之下，RS-485 電壓接口標準（現(xiàn)正式稱為 TIA/EIA-485A）允許在一條總線上連接多個收發(fā)器（圖 2）。它通常最多與 30 個收發(fā)器配合使用，但也可連接更多收發(fā)器。它是傳統(tǒng) RS-232 和相關(guān) RS-422、RS-423 標準的多分支超集，可設置為半雙工或全雙工運行?；ミB布線采用低成本差分（平衡）雙絞線，以最大限度地減少噪聲拾取，單線對用于半雙工運行，雙線對用于全雙工運行。

圖 2：RS-485 標準支持多分支總線上的多個收發(fā)器，半雙工和全雙工運行時分別使用兩條和四條線纜。（圖片來源：Texas Instruments）

所有接收器可同時收聽，但在給定時間只能有一臺 RS-485 發(fā)射器處于有源狀態(tài)。其他發(fā)射器處于“三態(tài)”模式，并表現(xiàn)為高阻抗，因此對總線“不可見”。為消除線路反射，每個電纜端端接一個阻值與電纜特性阻抗相匹配的電阻器。這種并行端接方法允許在較長電纜上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

為兼容多個潛在發(fā)射器，系統(tǒng)必須使用順序輪詢或通過控制請求實施排列，以確保沒有數(shù)據(jù)沖突。雖然這可能會限制吞吐率，但通常問題不大，因為此類系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)負載相對適中。該標準可以支持數(shù)兆位每秒 (Mbps) 的原始數(shù)據(jù)速率和 4,000 英尺的傳輸距離（盡管無法同時實現(xiàn)，因為存在速度與距離的權(quán)衡），并可實現(xiàn)高效布線，因為只需一對線纜即可連接所有用戶。

優(yōu)化電流環(huán)路和 RS-485

電流環(huán)路和 RS-485 接口歷史久遠、成熟度高，并有很多支持組件，目前既用于新設計，也用于升級現(xiàn)有裝置。在使用簡便性、格式/協(xié)議靈活性、成本效益和低功耗具有重要意義的用例中，新設計更勝一籌。

因此，目前可使用多種 IC 來增加額外功能和特性，以便拓寬其使用范圍，滿足當今裝置的需求，其中包括低功耗運行、ESD 保護改良、更高的速度以及電流（歐姆）隔離。

低功耗運行：低功耗運行可使系統(tǒng)達到提升能效的目標，此外它還能降低組件的熱負載和冷卻需求，從而提升整體可靠性。

如何實現(xiàn)這些需求呢？不妨看看Maxim Integrated的MAX12900AATJ+。這是一款超低功耗的高度集成式 4-20 mA 傳感器發(fā)射器，主要功能是將變送器微控制器的脈寬調(diào)制 (PWM) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 4-20 mA 的電流。為實現(xiàn)完整靈活的信號調(diào)節(jié)，該設備集成了十個功能塊，包括多個 PWM 輸入、兩個低漂移通用運算放大器、一個零偏移低漂移運算放大器、兩個比較器、一個上電定序器、一個低漂移電壓基準和一個寬輸入供電電壓線性穩(wěn)壓器 (LDO)。

盡管具有上述諸多功能塊，但 MAX12900AATJ+ 的電源電流低于 200 微安 (μA)，因此可通過“未使用”的 4 mA 環(huán)路電流輕松供電。作為一個側(cè)重于工業(yè)應用的組件，設計人員需要用到其重要的診斷特性，例如供電源軌監(jiān)視、輸出電流回讀以及開路和故障檢測。此外，MAX12900AATJ+ 外形小巧，采用 5 mm x 5 mm 的 32 引腳 TQFN 封裝，可安裝在變送器上。

雖然 4-20 mA 環(huán)路的基本操作非常簡單，但 MAX12900AATJ+ 并非一個簡單 IC，其規(guī)格書提供了超過 90 幅靜態(tài)和動態(tài)性能圖、范圍圖片、工作特性圖和應用設計導入原理圖，由此可見一斑。此 IC 在溫度和順從電壓方面都很穩(wěn)定，而這兩項均為工業(yè)環(huán)境中的重要特性（圖 3）。

圖 3：Maxim MAX12900AATJ+ 電流環(huán)路發(fā)射器的一個典型特征是其在供電電流相對于溫度（左）和供電電流相對于供電電壓（右）方面的穩(wěn)定性。（圖片來源：Maxim Integrated）

Texas Instruments 的SN65HVD37RS-485 全雙工驅(qū)動器/接收器是另一種低功耗設備。該 IC 由一個 3.3 伏電源供電運行，具有低電流待機模式，只需不到 1 μA（典型值）的電流，工作靜態(tài)電流則低于 1 mA。收發(fā)器 IC 低電壓運行的一個關(guān)鍵問題是其低噪聲容限和抗噪性，但 SN65HVD37 結(jié)合了一個強大的差分驅(qū)動器和一個具有 60 毫伏高抗噪性的接收器（圖 4）。

圖 4：Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全雙工驅(qū)動器/接收器采用低電壓軌，但具有優(yōu)化的抗噪性（這是工業(yè)系統(tǒng)的一個考慮因素）。（圖片來源：Texas Instruments）

無毛刺的上電和掉電設計為熱插拔應用提供保護，因此當通用總線上有許多其他有源單元且其關(guān)斷會帶來很大麻煩時，這一特性成為一個日益重要的維修考慮因素。同時，該設備經(jīng)過專門設計，在無效總線狀態(tài)下接收器進入“故障保險”模式。

無效總線狀態(tài)可能由以下原因?qū)е拢嚎偩€開路狀況，例如連接器斷開；總線短路狀況，例如電纜損壞導致雙絞線同時短路；或總線上無驅(qū)動器主動驅(qū)動時，總線進入待機狀態(tài)。在這類情況下，差分接收器輸出可保證處于邏輯高態(tài)，確保接收器的輸出不會處于不定狀態(tài)。

ESD 和瞬態(tài)保護：雖然所有 4-20 mA 和 RS-485 IC 均集成了一定程度的保護措施，但小型高功能性 IC 的工藝尺寸更為緊密，這意味著使用它們的設計人員愈發(fā)關(guān)注 ESD/瞬態(tài)故障，因此供應商正紛紛增加額外的內(nèi)部保護結(jié)構(gòu)。

例如，Maxim IntegratedMAX22502E是一款適用于長距離電纜的 100 Mb/s 全雙工 RS-485/RS-422 收發(fā)器。它通過對已發(fā)送波形進行用戶可設置的預加重，來補償線路引起的失真，進而降低碼間干擾 (ISI) 和相關(guān)誤碼率 (BER)，借此達到高達 100 Mb/s 的速度（圖 5）。所有這些均在一個 3 × 3 mm 的封裝內(nèi)完成。

圖 5：Maxim Integrated MAX22502E RS-485 收發(fā)器包含驅(qū)動器預加重功能，可將長距離電纜造成的 ISI 降至最低，從而確保低 BER。（圖片來源：Maxim Integrated）

不過，對長距離線路適用也意味著其很可能成為 ESD 和瞬態(tài)的“犧牲品”。為克服此問題，MAX22502E 集成了比此類 IC 3 至 5 千伏電平標準更高的額外 ESD 保護。此保護功能增強了穩(wěn)健性，一方面表現(xiàn)為基本共模范圍為 -15 伏至 +15 伏，另一方面表現(xiàn)為驅(qū)動器輸出可防止短路。由此，MAX22502E 符合更多增強型 ESD 標準，包括 ±15 千伏 ESD 保護（人體模式，HBM）、±7 千伏 IEC61000-4-2 氣隙 ESD 保護和 ±6 千伏 IEC61000-4-2 接觸放電 ESD 保護。

對于 RS-485 應用，Texas Instruments 提供面向電表、逆變器、HVAC 系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的THVD1500低功耗 3.3 伏全雙工驅(qū)動器/接收器。該設備由一個 5 伏單電源供電運行，但具有寬共模電壓范圍和總線引腳低輸入漏泄，因此適用于長距離電纜線路上的多點應用。

雖然它是低速設備（最高 256 Kb/s），但總線上的低單位負載支持連接多達 256 個收發(fā)器，可用于大型網(wǎng)絡。它可提供全面的保護，可應對 ±16 千伏 HBM ESD、±8 千伏 IEC 61000-4-2 接觸放電、± 10 千伏 IEC 61000-4-2 氣隙放電和 ±2 千伏 IEC 61000-4-4 快速瞬態(tài)脈沖。

THVD1500 等 RS-285 收發(fā)器運行時的數(shù)據(jù)速率相對較低，然而比特率、電纜長度和惡劣工業(yè)環(huán)境的組合意味著設計布局和相關(guān)組件的選擇才是成功應用的關(guān)鍵因素（圖 6）。需要特別注意印刷電路板（PC 板）布局、離散瞬態(tài)保護元件（除了其實質(zhì)內(nèi)部保護）的使用和低電感接地層，才能有效使用該等設備。此外，最好能引導瞬態(tài)電流的流動，靠近 IC 使用旁路電容器，并使用額外的上拉和下拉電阻器來限制噪聲電流（圖 6）。

圖 6：在工業(yè)環(huán)境中使用 THVD1500 時，須密切注意印刷電路板的恰當布局，并在靠近總線連接器的位置安裝保護電路 (1)；將旁路電容盡可能靠近收發(fā)器的 VCC引腳放置 (4)；使用兩個過孔用于 VCC連接和旁路電容器與保護設備的接地連接，以最大限度地減少有效通孔電感 (5)；并應用上拉和下拉電阻器“啟用”線路以限制瞬態(tài)事件期間的噪聲電流 (6)。（圖片來源：Texas Instruments）

電流隔離：有些情況下需要電流輸入/輸出隔離，這意味著輸入和輸出之間不存在電流傳導路徑，但數(shù)據(jù)必須穿過此隔離柵。需要采取隔離措施，保護系統(tǒng)及其用戶免遭輸入故障，其可能對節(jié)點輸出端施加過電壓?？偩€側(cè)故障可能會損壞輸入變送器，因此也需要進行保護。另外，將各種變送器接地彼此隔離，可消除接地環(huán)路及其引起的經(jīng)常令人沮喪的敏感問題。

也許最重要的是，隔離也意味著接地或電源軌短路等輸入端節(jié)點故障不會影響其余的總線及其節(jié)點。

隔離設備的一個典型例子是Analog Devices的ADM2795E，這是一款 RS-485 收發(fā)器，在其總線引腳上具有高達 ±42 伏的 AC/DC 峰值總線過壓故障保護，外加 5 千伏 (rms) 輸入至輸出隔離（圖 7）。

ADM2795E 可應對各種 IEC 61000 ESD 要求，具有與主要關(guān)注 ESD 的設備相同或更高的額定值，除此之外，它還符合： IEC 61000-4-x 隔離柵抗擾度標準；IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌標準；IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度標準、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度標準以及 IEC 61000-4-8 磁場抗擾度標準，并提供大于 75 kV/微秒 (μs) 的共模瞬態(tài)抗擾度。

圖 7：多個 Analog Devices ADM2795E 收發(fā)器可用于實施半雙工 RS-485 通信網(wǎng)絡，每個節(jié)點均完全隔離，因此即使變送器發(fā)生故障也不會干擾總線。（圖片來源：Analog Devices）

ADM2795E 采用 16 引腳寬 SOIC 封裝，工作電壓范圍為 1.7 V 至 5.5 V，可連接低壓邏輯電源。內(nèi)部隔離功能無需設計導入，且設備完全符合 TIA/EIA RS-485/RS-422 要求。

盡管電位隔離設備可能會帶來額外的 BOM 成本和基底面，并需要隔離電源，但也能提供主要優(yōu)勢，即變送器端的故障不會令總線“關(guān)閉”。

總結(jié)

盡管已使用多年，但 RS-485 接口和 4-20 mA 電流環(huán)路仍廣泛應用于工業(yè)環(huán)境。新型和升級系統(tǒng)在低功耗、范圍、提高 ESD 抗擾度和電流隔離方面對接口組件提出了更高的性能要求。如文中所述，供應商正在應對這些需求，進而擴大這些傳統(tǒng)接口標準的可用性。