RS422／RS485總線模型分析與應(yīng)用

　　0 引言

　　RS422／RS485總線接口作為多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。RS422／RS485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出了規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，因此，用戶可在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議。

　　1 基本原理

　　RS422／RS485標(biāo)準(zhǔn)的全稱為TIA／EIA-422-B和TIA／EIA-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它們的數(shù)據(jù)信號(hào)均采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。這兩者在電氣特性上非常接近，不同之處只是傳輸方式的不同。

　　RS485的典型工作方式如圖1所示。RS485典型的驅(qū)動(dòng)器使用一對(duì)雙絞線，并將其中的一線定義為A，另一線定義為B。兩線工作時(shí)采用半雙工通信方式，其工作狀態(tài)(發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài))由使能控制信號(hào)決定。

　　一般情況下，驅(qū)動(dòng)器的A、B間的正電平電壓為+2～+6 V時(shí)代表一個(gè)邏輯狀態(tài)；A、B之間的負(fù)電平在-6～-2 V時(shí)代表另外一個(gè)邏輯狀態(tài)。另外還有一個(gè)信號(hào)地C。事實(shí)上，在很多情況下，都會(huì)忽視信號(hào)地的連接。這里建議采用經(jīng)過(guò)處理的低阻通路把信號(hào)地連接起來(lái)，以增加其共?？垢蓴_能力并減少電磁輻射。“使能”控制信號(hào)E用于驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷和連接，當(dāng)ENABLE起作用時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。

　　接收器與驅(qū)動(dòng)器的規(guī)定相似，其收、發(fā)端均可通過(guò)平衡雙絞線將A-A與B-B對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)接收端A、B之間有大于+200 mV的電平時(shí)，輸出為正邏輯電平；小于-200 mV時(shí)，輸出為負(fù)邏輯電平。在接收器的接收平衡線上，電平范圍通常是在200 mV～6 V之間。

　　一般可定義邏輯1(正邏輯電平)為B>A的狀態(tài)，邏輯0(負(fù)邏輯電平)為A>B的狀態(tài)，A、B之間的壓差不小于200 mV。

　　RS485的四線工作狀態(tài)和RS422的四線工作狀態(tài)基本一致，從物理的角度上講，RS422相當(dāng)于兩個(gè)RS485同時(shí)工作，一個(gè)工作于接收狀態(tài)，一個(gè)工作于發(fā)送狀態(tài)。

　　2 信號(hào)分析

　　根據(jù)以上說(shuō)明，這里對(duì)RS422／RS485的傳輸特性建立一個(gè)信號(hào)分析模型，因?yàn)镽S485更具有代表性，所以采用RS485作為分析對(duì)象。RS485是典型的信號(hào)處理標(biāo)準(zhǔn)，其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。

　　根據(jù)圖2規(guī)范設(shè)計(jì)定義域時(shí)，D可代表微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號(hào)的取值空間為{0，1}；Dr代表微處理器接收的數(shù)字信號(hào)(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號(hào)的取值空間為{0，1}；E，EN為使能信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器和接收器與傳輸線的連接關(guān)系(高電平或者低電平有效控制)存在兩種情況：定義ENABLE為連接有效狀態(tài)，DISABLE為未連接狀態(tài)，取值空間為{ENABLE，DISABLE}。在RS485通信標(biāo)準(zhǔn)中，一般情況下，E、EN若一個(gè)有效則另一個(gè)禁止，而RS422則兩個(gè)均為有效；A，B為驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的接口電壓，其規(guī)范定義為(-6V，+6V)；Ar，Br為接收器與傳輸線接口的電壓。為了實(shí)現(xiàn)RS422／RS485的接口兼容，這里應(yīng)定義為(-7V，+10V)。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)器傳遞函數(shù)定義中有四種可滿足RS485通信標(biāo)準(zhǔn)的情況：

　　D=1，E=DISABLE時(shí)，輸出A，B狀態(tài)為未定；

　　D=0,E=DISABLE時(shí)，輸出A，B狀態(tài)為未定；

　　D=1，E=ENABLE時(shí)，輸出B-A>2V，且A，B∈(6V，+6V)；

　　D=0，E=ENABLE時(shí)，輸出A-B>2V，且A，B∈(6V，+6V)。

　　所以，能夠?qū)崿F(xiàn)上面?zhèn)鬟f函數(shù)的所有電路均可作為RS485的驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)，當(dāng)然，還需要滿足其輸入輸出特性。

　　從接收器傳遞函數(shù)的定義可以把接收器分成兩類，其一是EN=DIABLE，這相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有掛載在總線上(可以認(rèn)為不存在)。其二是EN=ENABLE，此時(shí)又存在兩種正常工作情況，一是輸出Dr=1時(shí)，Br-Ar>200 mV；二是輸出Dr=0時(shí)，Ar-Br>200 mV。

　　為了滿足接收器正常工作的需要，操作時(shí)還需要考慮以下幾種情況：

　　(1)Ar、Br的電壓范圍應(yīng)該嚴(yán)格限制在-7～10V，否則可能損壞器件。一般采用穩(wěn)壓的二極管網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的限制。

　　(2)當(dāng)|Ar-Br|<200 mV時(shí)，接收器數(shù)據(jù)的判別。一般可采用電阻網(wǎng)絡(luò)，將Ar通過(guò)10 kΩ的電阻接在VCC上，而將Br通過(guò)10 kΩ的電阻接在GROUND上，這樣，當(dāng)總線上沒(méi)有信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候，即可保持Ar的電平為3.2 V左右，Br的電平大約為1.6 V，這樣，即使有干擾信號(hào)，也很難產(chǎn)生串行通信的其始信號(hào)0。

　　(3)一般情況下，為了減少線路上傳輸信號(hào)的反射，可在RS422總線電纜的遠(yuǎn)端并接1個(gè)100Ω電阻，并應(yīng)在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻。

　　3 工程實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)以上分析，這里給出一個(gè)RS422／RS485兼容的實(shí)際應(yīng)用電路，其具體電路如圖3所示。

　　圖3電路中采用的芯片為MAX491ESD。當(dāng)用MAX491ESD進(jìn)行RS422通信時(shí)，應(yīng)把跳線帽安裝在JP2的管腳2和管腳1上，JP1和JP3跳線帽去掉；而當(dāng)其作為RS485通信的時(shí)候，則應(yīng)把跳線帽安裝在JP2的管腳2和管腳3上，JP1和JP3加上跳線帽，從而構(gòu)成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的RS485網(wǎng)絡(luò)。穩(wěn)壓管D1，D2的作用是把A的電壓牢牢限制在-7V～+12V，以有效保護(hù)RS422／RS485網(wǎng)絡(luò)。增加D3和D8的目的主要是為了防止浪涌電壓。這個(gè)實(shí)際電路是以信號(hào)分析模型作為指導(dǎo)的依據(jù)建立起來(lái)的，可以在實(shí)際的測(cè)試和運(yùn)行中滿足預(yù)期要求。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文從信號(hào)處理的角度分析了RS422／RS485網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成，并將其抽象為一個(gè)信號(hào)處理分析模型，從而給出相應(yīng)的傳遞函數(shù)和定義域。