零延時RS-485接口電路具有很強的抗共模干擾能力

1 概述

RS一485接口是一種基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x遠(yuǎn);同時易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴展，被廣泛的應(yīng)用在很多工業(yè)現(xiàn)場。

節(jié)能燈壽命檢測環(huán)境中，主要干擾來自開關(guān)和壽命檢測的強電干擾、開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾、空氣循環(huán)設(shè)備的干擾等等;同時由于壽命檢測環(huán)境溫度高，強電系統(tǒng)復(fù)雜，也給系統(tǒng)的運行提出更高的要求。壽命檢測系統(tǒng)要求實時報告每一盞節(jié)能燈的運行狀態(tài)、環(huán)境溫度、電壓等，并在壽終計算出節(jié)能燈壽命、光通等參數(shù)。可見系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量大，實時性強，因此物理總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議尤為關(guān)鍵。

2 接口設(shè)計

良好的接口設(shè)計，應(yīng)該在硬件上保證系統(tǒng)有良好的抗干擾性、穩(wěn)定性和易擴展性。本系統(tǒng)選用了性價比很高的半雙工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特點［1］：

①滿足或超出TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)的要求;

②低靜態(tài)電流消耗——有效模式為小于0.3 mA，關(guān)閉模式為l nA;

③優(yōu)化的驅(qū)動器輸出信號，傳輸率達(dá)200kbps時保持低EMI;

④1/8單元負(fù)載——1條總線上多達(dá)256個節(jié)點;

⑤總線引腳ESD保護(hù)超過16 kv;

⑥工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN75176覆蓋范圍;

⑦失效保護(hù)功能。

基于SN65HVD3082的RS-485接口電路，通常有三種方案。

（1）直接控制收發(fā)的RS-485接口電路

此方法使用控制器切換發(fā)送使能和接收使能端，控制接口電路數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于采用直接收發(fā)，因此需要發(fā)送和接收時的轉(zhuǎn)換，只能加入額外的控制器來控制發(fā)送和接收的轉(zhuǎn)換;同時，需要用控制器存儲轉(zhuǎn)發(fā)所有的傳輸數(shù)據(jù)，這樣，每傳輸1幀數(shù)據(jù)，至少損失1個單位的接收時間（儲存轉(zhuǎn)發(fā)1幀數(shù)據(jù)的時間）。此方案不利于數(shù)據(jù)量大的實時通信，而且在發(fā)送和接收的切換過程中，在VA和VB（VA和VB分別是Rs一485總線的A、B端的電壓）有階躍電壓的產(chǎn)生。這個階躍電壓對接收器的接收有干擾產(chǎn)生。

（2）自動收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路

圖l所示的虛線框中為接口電路，通過對真值表進(jìn)行分析，其發(fā)送和接收過程為：

當(dāng)發(fā)送端DI=O時，DE/RE=1發(fā)送O電平，接收端RO=O;當(dāng)發(fā)送端DI=1時，DE/RE=0，VA=VB=2.5V，接收端由于上拉電阻的作用RO=1。

在此接口電路的TXo端加入1kHz的TTL方波對電路進(jìn)行測試。未加入120Ω端電阻時，接口芯片的485-A和485-B腳都有約50μs的電壓變化過程，如圖2所示。接收端Ro波形的上升沿有明顯的延遲約30～40μs（和數(shù)據(jù)發(fā)送端DI比較），造成很大的傳輸誤差;加入120Ω端電阻時，延遲明顯縮小，約3μs。

此電路在發(fā)送高電平時，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，總線上所有接口處于接收狀態(tài)，總線是空閑的，允許其他接口發(fā)送數(shù)據(jù)，因此容易引入總線沖突。特別是連續(xù)發(fā)送商電平比特時，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)的時間越長，引入總線沖突的幾率就越大。

（3）零延時的RS-485接口電路

零延時RS-4185接口電路主要采用74HCl4和電路中的電阻、電容等元件構(gòu)成一個延時很短的電路，其主要作用是：

①發(fā)送器在發(fā)送高電平的時候，在短延時內(nèi)不再是處于高阻狀態(tài)，仍有驅(qū)動電流存在，這樣在一定程度上可以增加接口的抗干擾能力。

②從真值表可以看出。對于接收器，當(dāng)VID=VA-VR≥一O.01 V時，RO=1;在發(fā)送端，當(dāng)DE/RE=0，發(fā)送驅(qū)動器的VA和VB都是高阻態(tài)，此時VA=VB=2.5V，因此，這時對于接收端RO=1;而在短延時的時間內(nèi)，由千DI=1且DE/RE=1.所以RO=1.可見在短延時和DE/RE=0的時間內(nèi)接收端RO=l，這樣就完成了對高電平的發(fā)送和接收，而且在接收端的上升沿不會有延遲，即零延時，如圖3所示。

把圖l中自動收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路換成零延時的RS-485接口電路，如圖4所示。同樣在TX0端加入1 kHz的方波對電路進(jìn)行測試，結(jié)果是接收端RO的上升沿不會有延遲。這和是否接入120Ω的端電阻沒有關(guān)系，證實了以上的分析。

圖2、3中虛線箭頭指向處的電壓為2.5 V。

圖4中，根據(jù)系統(tǒng)所確定的傳輸速度來選擇R3和C0參數(shù)，以達(dá)到零延時。傳輸速度越高，延時越小。這里選擇R3=22 kΩ，C0=1000 pF。

自動收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-4t85接口電路和零延時的RS-485接口電路都有不足之處，即在發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的高電平時，邏輯上發(fā)送端是處于發(fā)送狀態(tài)，接收端處于接收狀態(tài);但實際上，此時所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的發(fā)送端和接收端都處于接收狀態(tài)。這在對等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中是不能忽視的，因為在這段時間內(nèi)，總線是空閑的，是允許節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的。

這里采用的是主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此這個問題不會影響系統(tǒng)工作。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)壽命檢測系統(tǒng)的實際需要提出的，設(shè)計目標(biāo)是：滿足lO個壽命架，每個壽命架64個節(jié)點的檢測要求，在硬件和軟件上做到容易擴展，走線合理。因此邏輯上采用主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)上采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩級總線，主要由以下設(shè)備組成：

①RS-232轉(zhuǎn)RS-485。實現(xiàn)RS-232到RS-485電氣信號的轉(zhuǎn)換，這是第一級RS-485總線。

②10口的485HIJB（集線器）。如圖6所示，485HUB是由1個主機和10個從機的零延時的RS-485接口組成，這是在邏輯上實現(xiàn)主從式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)主機端下行發(fā)送數(shù)據(jù)時，連接在10個從機接口上的所有接口都可以接收到數(shù)據(jù);而當(dāng)某個從機接口上掛接的節(jié)點上行發(fā)送數(shù)據(jù)時，只有主機節(jié)點（PS 端）和掛接在同一個從機接口上的其他節(jié)點可以接收到數(shù)據(jù)。這是第二級RS-485總線。

③單片機節(jié)點。有4種節(jié)點，即節(jié)能燈狀態(tài)采集節(jié)點、溫度采集節(jié)點、供電電壓采集節(jié)點和模式控制節(jié)點。每個單片機節(jié)點的通信接口都采用零延時的RS-485接口電路，每一個節(jié)點都有自己的地址，用于PC端尋址。

理論上，SN75HVD3082的一條總線可以連接多達(dá)256個節(jié)點，因此在每個從機接口上可以擴展更多的節(jié)點;同時在RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器的總線上也可以連接更多的485HUB。這樣就可以實現(xiàn)硬件上的擴展。

4 通信協(xié)議

采用9600 bps的波特率，固定長度幀結(jié)構(gòu)，幀長度10字節(jié)。幀信息定義如下：幀頭（0x55 0xAA）、命令（1字節(jié)）、數(shù)據(jù)（4字節(jié)）、從機地址（2字節(jié)）、校驗（1字節(jié)）。

在通信協(xié)議中采用幀校驗和幀超時，以達(dá)到軟件抗干擾的目的。

①幀校驗：采用累加和校驗。在發(fā)送時，把幀頭、命令、數(shù)據(jù)、從機地址幾個域相加并取最低字節(jié)填充到校驗域。如果節(jié)點不處于接收狀態(tài)，則啟動發(fā)送，否則等待;如果在未超時，并完整地接收到10字節(jié)時，把幀頭、命令、數(shù)據(jù)、從機地址幾個域相加，并與校驗域比較，相同表示成功接收到1幀數(shù)據(jù)。

②幀超時：幀超時定義是，在接收到第一個字節(jié)時，進(jìn)入接收狀態(tài)，并設(shè)置8ms定時，以后每接收到一個字節(jié)，重置8ms定時。正常情況下，接收一個字節(jié)約1 ms時間。如果超過8ms，則退出接收狀態(tài)，丟棄當(dāng)前接收幀，回到空閑狀態(tài)，等待下一幀的接收。

在程序設(shè)計中，幀超時的定義與程序的架構(gòu)和波特率有關(guān)，原則上只要大于1個字節(jié)的接收時間就可以了。這里選擇8ms與程序的架構(gòu)有關(guān)。

5 測試結(jié)論和應(yīng)用前景

在設(shè)置了所有節(jié)點的地址后，即可在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試方案是，在PC機端運行測試軟件，約每隔50ms發(fā)送一次測試命令輪詢所有的節(jié)點。每一次發(fā)送都要求有數(shù)據(jù)返回，否則視為通信錯誤。軟件連續(xù)運行7天，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，說明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

目前設(shè)計的節(jié)能燈壽命檢測系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場成功投入使用，運行效果良好。此系統(tǒng)設(shè)計思想對于設(shè)計具有大量節(jié)點、大數(shù)據(jù)量的實時智能檢測系統(tǒng)起到借鑒作用，在自動化檢測領(lǐng)域中將有較為廣泛的應(yīng)用價值。