RS-485 總線是半雙工的通信總線，因此通常需要MCU控制RS-485收發(fā)器的收發(fā)狀態(tài)。為節(jié)省MCU的I/O資源，RS-485自動(dòng)收發(fā)型收發(fā)器應(yīng)運(yùn)而生，但該類收發(fā)器或多或少會(huì)遇到一些應(yīng)用問題，這一類問題該如何解決？本文將從工作原理為你揭曉。
一、自動(dòng)收發(fā)電路簡(jiǎn)介及應(yīng)用簡(jiǎn)析
1、自動(dòng)收發(fā)電路原理
常見的RS-485自動(dòng)收發(fā)電路如圖1所示，電路的邏輯真值表如表1所示，當(dāng)TXD為低電平時(shí)，DE和RE為高電平，RS-485收發(fā)器處于發(fā)送狀態(tài)，AB處于低電平，即向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平信號(hào)；當(dāng)TXD由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，DE和RE變?yōu)榈碗娖剑琑S-485收發(fā)器處于接收狀態(tài)，此時(shí)AB引腳處于高阻狀態(tài)，R3將B引腳拉至GND，R4將A引腳拉至VCC，此時(shí)AB為高電平，即向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送高電平信號(hào)。由于TXD為高電平時(shí)，RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài)，因此只需將TXD保持為高電平即可接收數(shù)據(jù)，即自動(dòng)收發(fā)電路發(fā)送高電平時(shí)同時(shí)也是接收狀態(tài)。
圖1RS-485自動(dòng)收發(fā)示意圖
表1自動(dòng)收發(fā)電路示意圖
二、自動(dòng)收發(fā)電路常見應(yīng)用問題及解決方案
1、通信速度較慢
RS-485自動(dòng)收發(fā)通信速度較慢的原因主要有兩個(gè)。一是若使用圖1所示的自動(dòng)收發(fā)電路，三極管的關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)（主要是由于三極管關(guān)斷時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)），圖1中所示參數(shù)的三極管反相電路，開啟延時(shí)時(shí)間如圖2所示為10.2ns，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間如圖3所示為1.14μs，因此若TXD發(fā)送低電平，DE&RE引腳較長(zhǎng)時(shí)間后才會(huì)升至高電平，發(fā)送低電平的延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，圖1所示電路發(fā)送低電平信號(hào)延時(shí)時(shí)間如圖4所示為1.468μs。
圖2開啟延時(shí)時(shí)間
圖3關(guān)斷延時(shí)時(shí)間
圖4發(fā)送低電平信號(hào)延時(shí)
二是自動(dòng)收發(fā)電路發(fā)送高電平是通過外部上下拉電阻驅(qū)動(dòng)的，上升沿較緩慢，波形如圖5所示，可以看出，發(fā)送高電平的上升沿較為緩慢，限制了高速通信的應(yīng)用。
圖5發(fā)送高電平上升時(shí)間
2、高波特率通信時(shí)存在通訊異常風(fēng)險(xiǎn)
如圖6所示，TXD變?yōu)楦唠娖剑珼E&RE引腳降為低電平，AB差分電壓緩慢上升，由于此時(shí)RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于接收狀態(tài)，在AB差分電壓上升至RS-485收發(fā)器門限電平前RXD引腳會(huì)出現(xiàn)到一段時(shí)間的低電平信號(hào)，例如門限電平為-200mV~-50mV的收發(fā)器，AB差分電壓上升至-50mV前RS-485收發(fā)器均可輸出低電平，此低電平信號(hào)的時(shí)間與AB差分電壓上升時(shí)間和RS-485收發(fā)器的接收延時(shí)有關(guān)。由于串口一般是將每個(gè)位分成16份，檢測(cè)中間的3份的電平信號(hào)從而確定此位的信號(hào)高低，因此若此低電平信號(hào)保持至每個(gè)位的信號(hào)檢測(cè)時(shí)，則會(huì)使MCU接收到一個(gè)起始位，從而接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因此這個(gè)問題同樣限制了高速通信的應(yīng)用并且降低了通信的可靠性。
圖6TXD發(fā)送高電平信號(hào)，RXD接收到一段低電平信號(hào)
針對(duì)此類問題，可選用致遠(yuǎn)電子的寬壓輸入貼片式隔離RS-485自動(dòng)收發(fā)模塊SC4450S（如圖7），該模塊通信速度高達(dá)500kbps，并且不會(huì)出現(xiàn)發(fā)送高電平時(shí)接收到一段時(shí)間低電平信號(hào)的現(xiàn)象，通信波形如圖8所示，極大地提高了通信可靠性。
圖7貼片式隔離RS-485收發(fā)器SC4450S
圖8SC4450S通信波形
3、外圍電路結(jié)電容影響收發(fā)器通訊穩(wěn)定性
在高靜電或浪涌環(huán)境下，需要增加外圍保護(hù)電路來(lái)保護(hù)RS-485收發(fā)器，若RS-485總線上所加保護(hù)電路的結(jié)電容較大，則會(huì)影響通信波形的質(zhì)量甚至導(dǎo)致通信異常，使用高結(jié)電容保護(hù)電路的通信波形如圖9所示，通信波形畸變嚴(yán)重，影響了通信質(zhì)量。
圖9受高結(jié)電容影響的波形
針對(duì)此類問題，可選用致遠(yuǎn)電子SC4450S，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的如所示的保護(hù)電路圖10，可全面提升RS-485總線的防護(hù)能力，EMC防護(hù)能力上可以達(dá)到靜電接觸±8kV，浪涌共模±4kV，差模±2kV，符合絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。
圖10低結(jié)電容保護(hù)電路
圖11 增加保護(hù)電路后通信波形
4、驅(qū)動(dòng)能力較弱遠(yuǎn)距離通訊存在風(fēng)險(xiǎn)
自動(dòng)收發(fā)電路發(fā)送高電平時(shí)總會(huì)有一段時(shí)間或全部時(shí)間是由上下拉電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，若要提高發(fā)送高電平信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，需要使用較小阻值的上下拉電阻，由于RS-485收發(fā)器本身驅(qū)動(dòng)能力的限制，上下拉電阻也不能選擇太小，一般總線上所有節(jié)點(diǎn)的上下拉電阻并聯(lián)值不能小于375歐，因此自動(dòng)收發(fā)電路發(fā)送高電平信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力非常有限。RS-485總線增加終端電阻后，發(fā)送高電平的AB差分電壓是由終端電阻與上下拉電阻分壓所得，所以此時(shí)發(fā)送的高電平信號(hào)幅值很低，因此使用自動(dòng)收發(fā)RS-485收發(fā)器時(shí)，盡量不要使用終端電阻。
由于自動(dòng)收發(fā)電路驅(qū)動(dòng)能力有限，其應(yīng)用的通信距離也受到了限制。使用長(zhǎng)度為8m和200m的雙絞線的通信波形如圖12和圖13所示，通信距離8m時(shí)，通信波形良好且通信正常，通信距離為200m時(shí)已經(jīng)不能正常通信。因此在通信距離較長(zhǎng)時(shí)，可在自動(dòng)收發(fā)RS-485收發(fā)器外部加上下拉電阻和終端電阻來(lái)改善通信波形，增加后的通信波形如圖14所示，波形得到很大的改善，可以正常通信，但發(fā)送高電平的信號(hào)幅值仍舊較低。
圖12通過8m雙絞線通信波形
圖13通過200m雙絞線通信波形
圖14外部加1k上下拉電阻且RS-485總線首尾加終端電阻
若對(duì)通信距離有較高要求，不推薦使用自動(dòng)收發(fā)模塊，可選用致遠(yuǎn)電子具有收發(fā)控制功能的隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT或RSM3485ECHT，通信距離可達(dá)1200m。通信速度500kbp，通信距離1200m，總線首尾各加120歐終端電阻的通信波形如圖15所示，此時(shí)RSM485ECHT發(fā)送信號(hào)的幅值可達(dá)2.6V，極大地提高了通信的可靠性。
圖15通信距離1200m，總線首尾加終端電阻，RSM485ECHT發(fā)送波形
三、總結(jié)
自動(dòng)收發(fā)RS-485收發(fā)器可以節(jié)省MCU的 IO口，降低編寫程序的工作量，但常規(guī)的自動(dòng)收發(fā)電路具有通信速度慢，發(fā)送高電平信號(hào)時(shí)RXD會(huì)接收到一段低電平信號(hào)等問題，因此若需使用自動(dòng)收發(fā)，推薦使用自動(dòng)收發(fā)隔離RS-485收發(fā)器SC4450S，通信的可靠性大大提高，配合SC4450S推薦的低結(jié)電容保護(hù)電路，可以承受更高的靜電和浪涌等級(jí)，提高產(chǎn)品的可靠性。在通信距離較長(zhǎng)時(shí)，推薦使用增強(qiáng)型隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT/RSM3485ECHT，通信距離可達(dá)1200m。
表2產(chǎn)品推薦應(yīng)用情況說(shuō)明