RS-485接口器件通訊無(wú)故障偏置電路的原理和設(shè)計(jì)

RS-485接口通信在某些情況下，例如當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器釋放總線給另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間總線上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電流的情況。此時(shí)，兩端的匹配電阻會(huì)將差分總線電壓放至0V，這對(duì)于許多RS-485接收器來(lái)說(shuō)是一個(gè)未定義的輸入電平。對(duì)于這種未定義的輸入電平，接收器可能會(huì)輸出錯(cuò)誤的邏輯狀態(tài)，或在更糟的情況下發(fā)生振蕩。振蕩會(huì)被控制器誤解為不斷重復(fù)的通訊開(kāi)始位，導(dǎo)致控制器浪費(fèi)寶貴的帶寬去響應(yīng)這些并非真正的通訊請(qǐng)求。而故障安全總線偏置電路是解決此問(wèn)題的方法之一。

注：下文中出現(xiàn)的

VA=

VB=

VAB=

VIT-MAX=

VOD=

RB=

RT1=

RT2=

REQ=

Z0=

RCM=

nUL=

RB/2=

被動(dòng)元器件通訊無(wú)故障偏置電路是當(dāng)驅(qū)動(dòng)總線上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電流時(shí)（見(jiàn)圖1），通過(guò)上拉、端接和下拉電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓操作提供一個(gè)差分直流總線電壓VAB，進(jìn)而保證通訊安全無(wú)故障。

如果要驅(qū)動(dòng)所有接口器件輸出達(dá)到定義的高電平空閑狀態(tài)，VAB必須高于最大輸入閾值VIT-MAX 。此外，考慮到在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的情況，應(yīng)該增加足夠的噪聲容限使得VAB = VIT -MAX + VNoise。

圖1 適用于短至中等總線距離的通訊安全無(wú)故障偏置電阻網(wǎng)絡(luò)

本文會(huì)幫助系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)成功的通訊安全無(wú)故障偏置網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)提供計(jì)算公式，可以幫助計(jì)算電阻阻值以及收發(fā)器由于單向和雙向通訊安全無(wú)故障所加端接電阻而允許的最大總線負(fù)載。文章還將展示ISL315x系列高VOD收發(fā)器，其共?？山?0個(gè)負(fù)載單元（UL）的驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器的32個(gè)負(fù)載單元（UL）的驅(qū)動(dòng)能力。

單端通訊安全無(wú)故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對(duì)于≤100米短距離通訊,和通訊空閑時(shí)線上電壓在0.05V≤VAB≤0.3V，在總線的一端設(shè)置偏置電路一般就足夠了。為了簡(jiǎn)化，圖1所示的網(wǎng)絡(luò)被轉(zhuǎn)換成圖2的簡(jiǎn)化等效電路。請(qǐng)注意偏置電阻RB和終端電阻RT1和RT2。REQ表示連接到總線的所有收發(fā)器的等效輸入電阻。

圖2 電路的簡(jiǎn)化集總等效模型

在推導(dǎo)電阻值計(jì)算等式之前，先看一下線路阻抗匹配和共模負(fù)載所須滿足的條件:

1)沒(méi)加偏置網(wǎng)絡(luò)的電纜的端接電阻為RT1，其阻值應(yīng)與電纜的特性阻抗Z0匹配。

2)為了匹配正常工作時(shí)的線路阻抗，與終端電阻RT2并聯(lián)的兩個(gè)偏置串聯(lián)電阻組合必須匹配電纜的特性阻抗：Z0 = 2RB||RT2.因此，對(duì)于給定的RB值，RT2變?yōu)椋?/p>

3) RS-485規(guī)定了最大共模負(fù)載，符合標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器必須能夠使用32個(gè)并行UL驅(qū)動(dòng)。一個(gè)單位負(fù)載(UL)的最小共模電阻約為12kΩ。因此，32個(gè)UL的總共模負(fù)載導(dǎo)致最小的共模電阻RCM=375Ω。

由于偏置電阻是等效的收發(fā)器輸入電阻外的共模負(fù)載，因此RB和REQ的并聯(lián)值必須大于或等于RCM：RB||REQ ≥ RCM。因此對(duì)于給定的RB值，REQ被限制為：

為了找到計(jì)算RB的等式，我們確定了圖2中A和B的節(jié)點(diǎn)電流，并求出各線的電壓VA和VB。

節(jié)點(diǎn)A）

節(jié)點(diǎn)B）

然后計(jì)算線電壓之間的差值可求得差分總線電壓：

代入EQ.1，2和3到EQ.4得到了線纜上通訊空閑時(shí)直流電壓的最終等式：

并且求解RB的最小偏置電阻值：

共模負(fù)載

由于通訊安全無(wú)故障偏置電路帶來(lái)了額外的共模負(fù)載，因此有必要計(jì)算加了這個(gè)負(fù)載后線纜上所允許收發(fā)器單元的最大數(shù)量nUL，要確?？偩€負(fù)載不至于降到RCM =375Ω以下。

nUL是1單位負(fù)載（UL）共模電阻與線纜上所有收發(fā)器單元負(fù)載共模電阻之間的比例：nUL =12kΩ/ REQ ，代入EQ.3等式得到：

使用n×1UL，2n×1/2UL，4n×1/4UL或8n×1/8UL個(gè)收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)器單元負(fù)載的最大數(shù)量。

兩端通訊安全無(wú)故障偏置電路

為了在長(zhǎng)電纜中保持恒定的VAB，總線兩端都需要加偏置電路。每端偏置電阻網(wǎng)絡(luò)可以補(bǔ)償電纜另一端偏置電壓在線纜上的損耗。

圖3顯示了具有兩端通訊安全無(wú)故障偏置電路的簡(jiǎn)化等效電路。

圖3 兩端通訊安全無(wú)故障偏置電路的簡(jiǎn)化等效模型

對(duì)于終端電阻的要求RT與單端通訊安全無(wú)故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)的RT2相同，要求是 Z0 = 2RB||RT。因此，對(duì)于給定的RB ，RT必須是：

但是，共模負(fù)載的條件發(fā)生了變化，因?yàn)榫€纜兩端都有并聯(lián)接地的偏置電阻。因此，RB/2和REQ的并聯(lián)組合需要大于或等于RCM ：RB/2 || REQ ≥ RCM。因此，對(duì)于給定的RB值，REQ被限制為：

為了得到RB的等式，我們分別確定節(jié)點(diǎn)電流A和B。因?yàn)槠镁W(wǎng)絡(luò)是相同的，所以它們通過(guò)REQ驅(qū)動(dòng)相同的電流量。因此，我們必須通過(guò)REQ建立一個(gè)電流然后將其乘以2，以確定總線中間的VAB。

節(jié)點(diǎn)A）

節(jié)點(diǎn)B）

求解各個(gè)線電壓的節(jié)點(diǎn)電流VA和VB ，并計(jì)算它們之間的差值可得到差分總線電壓：

將EQ.8和9帶入EQ.10得到VAB的最終方程：

并且求解RB得到所需的最小偏置電阻值：

使用RB時(shí)，現(xiàn)在可通過(guò)以下方式計(jì)算收發(fā)器單元負(fù)載的最大數(shù)量：

注意，因?yàn)閷?duì)兩端通訊安全無(wú)故障偏置電路的RB值是單端通訊安全故障偏置電路的RB值的兩倍，所以兩種應(yīng)用的nUL仍然是相同的。

計(jì)算示例

在以下示例中，我們分別計(jì)算了單端通訊無(wú)故障和兩端通訊無(wú)故障偏置電阻值， 考慮到了長(zhǎng)線和短線通訊， 設(shè)定匹配阻抗為Z0 =120Ω。本例中使用ISL8487E總線收發(fā)器。該器件是1/8 UL收發(fā)器，最小電源電壓Vs = 4.75V。其最大接收器輸入閾值為200mV，假設(shè)噪聲容限為100mV，所以通訊空閑時(shí)要求線上電壓VAB = 300mV。

RS-485收發(fā)器選擇

出于以下兩個(gè)理由，選擇最好的收發(fā)器帶有足夠的抗噪聲和輸出驅(qū)動(dòng)能力對(duì)于健壯的線纜間通訊設(shè)計(jì)非常重要。

1） 在總線未被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，即使在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，也應(yīng)該有足夠的噪聲容限來(lái)防止接收器錯(cuò)誤觸發(fā)。

2）在正常數(shù)據(jù)傳輸期間，發(fā)送端必須有足夠能力驅(qū)動(dòng)由通訊安全無(wú)故障偏置電阻增加的共模負(fù)載，并仍然為遠(yuǎn)端收發(fā)器提供具有足夠噪聲容限的信號(hào)。

例如，第一代ISL8487E器件具有VIT-max = 200mV的正端接收器輸入閾值。通過(guò)偏置僅增加50mV的小噪聲容限就會(huì)使VAB = 200mV + 50mV = 250mV。

將其與第二代收發(fā)器（如帶完全故障保護(hù)功能的ISL83082E）進(jìn)行比較。無(wú)論接收器輸入是浮動(dòng)（總線斷開(kāi)）還是短路（總線短路或空閑），其接收器輸出都會(huì)變高。

完全故障保護(hù)功能是通過(guò)將最大輸入閾值偏移到稍微負(fù)值的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，電平為-50mV。為了提供相同的50mV噪聲容限，0V的VAB足以消除對(duì)外部通訊安全無(wú)故障偏置電路的需求。沒(méi)有偏置電路時(shí)，所有32個(gè)單元負(fù)載都可供總線收發(fā)器使用。

在較高電噪聲污染的現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（例如PROFIBUS）采用兩端通訊安全無(wú)故障偏置電路以保證總線空閑時(shí)電壓為0.6V或更高。如此高的VAB水平要求偏置電阻的阻值非常低，以至于它們的組合值下降至遠(yuǎn)低于375Ω最小共模電阻。發(fā)生這種情況時(shí)，nUL的計(jì)算結(jié)果將為負(fù)值。事實(shí)上，可以通過(guò)在EQ.12中設(shè)RB/2 = RCM來(lái)計(jì)算最大的VAB（當(dāng)nUL = 0時(shí) ）。

因此，支持高VAB電平的通訊需要性能更好的收發(fā)器，與標(biāo)準(zhǔn)兼容收發(fā)器相比，它們提供更高的差分和共模驅(qū)動(dòng)能力。

瑞薩電子ISL315x產(chǎn)品系列的高VOD收發(fā)器能夠滿足這些需求。這些器件能夠以VOD-MIN = 1.5V的最小差分輸出（見(jiàn)圖4）并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)120Ω端接電阻，并且可在-7V到+12V的共模電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)超過(guò)60個(gè)直流單元負(fù)載，最小VOD為2.4V（見(jiàn)圖5）。

圖4 差分輸出驅(qū)動(dòng)能力：ISL315x對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器

圖5 共模輸出驅(qū)動(dòng)能力：ISL315x對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器

ISL315x卓越的輸出驅(qū)動(dòng)能力對(duì)于最遠(yuǎn)距離的總線收發(fā)器也具有增強(qiáng)的抗噪聲能力，與標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器相比可以實(shí)現(xiàn)兩倍的共模載荷。

表1列出了單端和兩端通訊安全無(wú)故障偏置網(wǎng)絡(luò)的電阻值，并將兩個(gè)可用的標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器ISL8487和ISL83082以及高VOD收發(fā)器ISL3152單元負(fù)載與噪聲容限進(jìn)行了比較。

表格1 標(biāo)準(zhǔn)和高VOD收發(fā)器的偏置電阻值，單位負(fù)載和與噪聲容限對(duì)比

具有200mV輸入閾值的收發(fā)器，例如ISL8487，僅允許最高100mV的空閑置總線噪聲容限。超過(guò)該范圍，更高的VAB要求偏置電阻值非常低，以至于收發(fā)器單元負(fù)載的結(jié)果數(shù)量會(huì)變?yōu)樨?fù)值。

帶有完整的通訊安全無(wú)故障的收發(fā)器，如ISL83082，由于其負(fù)輸入閾值為-50mV，因此只需要很低的VAB值。這就允許更高的偏置電阻值以及在總線上帶更多數(shù)量的收發(fā)器。但是，這兩種收發(fā)器類型只具有最多32個(gè)單元負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)能力，其一般標(biāo)準(zhǔn)的噪聲容限和較少數(shù)量的低收發(fā)器支持很難在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中的使用。

與之形成鮮明對(duì)比的是，具有高VOD的ISL3152在中等噪聲水平下可輕松驅(qū)動(dòng)兩倍以上的收發(fā)器數(shù)量，并可在600mV噪聲容限下仍支持多達(dá)100個(gè)收發(fā)器。為了實(shí)現(xiàn)更高的噪聲容限，增加電纜的特性阻抗是必要的。在PROFIBUS中Z0 =150Ω，因此RT和RB可采用更高的值以降低偏置網(wǎng)絡(luò)的共模負(fù)載。

結(jié)論

增加一個(gè)故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)可確保在總線空閑時(shí)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍可穩(wěn)定運(yùn)行。另外，在正常數(shù)據(jù)傳輸期間，由偏置電阻引起的共模負(fù)載必須由驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)所需的高噪聲容限需要低偏置電阻值，其共模負(fù)載會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)能力負(fù)擔(dān)過(guò)重。ISL315x系列大輸出電壓擺幅收發(fā)器可以解決這個(gè)問(wèn)題，其能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)八個(gè)120Ω端接電阻和六十多個(gè)直流單元負(fù)載。結(jié)合本文提供的等式，這些收發(fā)器簡(jiǎn)化并加快了故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。