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、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用較為廣泛的標準通信接口之一。RS422／RS485標準只對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標準的全稱為TIA／EIA-422-B和TIA／EIA-485串行通信標準。它們的數(shù)據(jù)信號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)動器使用一對雙絞線，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))由使能控制信號決定。
接收器與驅(qū)動器的規(guī)定相似，其收、發(fā)端均可通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應(yīng)相連。當接收端A、B之間有大于+200 mV的電平時，輸出為正邏輯電平；小于-200 mV時，輸出為負邏輯電平。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相當于兩個RS485同時工作，一個工作于接收狀態(tài)，一個工作于發(fā)送狀態(tài)。
2 信號分析
根據(jù)以上說明，這里對RS422／RS485的傳輸特性建立一個信號分析模型，因為RS485更具有代表性，所以采用RS485作為分析對象。RS485是典型的信號處理標準，其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。
根據(jù)圖2規(guī)范設(shè)計定義域時，D可代表微處理器輸出的數(shù)字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；Dr代表微處理器接收的數(shù)字信號(TTL電平或者CMOS電平)，其邏輯信號的取值空間為{0，1}；E，EN為使能信號。驅(qū)動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通信標準中，一般情況下，E、EN若一個有效則另一個禁止，而RS422則兩個均為有效；A，B為驅(qū)動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。為了實現(xiàn)RS422／RS485的接口兼容，這里應(yīng)定義為(-7V，+10V)。實際上，驅(qū)動器傳遞函數(shù)定義中有四種可滿足RS485通信標準的情況：
D=1，E=DISABLE時，輸出A，B狀態(tài)為未定；
D=0,E=DISABLE時，輸出A，B狀態(tài)為未定；
D=1，E=ENABLE時，輸出B-A>2V，且A，B∈(6V，+6V)；
D=0，E=ENABLE時，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)動器參考設(shè)計，當然，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，這相當于驅(qū)動器沒有掛載在總線上(可以認為不存在)。其二是EN=ENABLE，此時又存在兩種正常工作情況，一是輸出Dr=1時，Br-Ar>200 mV；二是輸出Dr=0時，Ar-Br>200 mV。
為了滿足接收器正常工作的需要，操作時還需要考慮以下幾種情況：
(1)Ar、Br的電壓范圍應(yīng)該嚴格限制在-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)來實現(xiàn)電壓的限制。
(2)當|Ar-Br|<200 mV時，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10 kΩ的電阻接在VCC上，而將Br通過10 kΩ的電阻接在GROUND上，這樣，當總線上沒有信號傳輸?shù)臅r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，也很難產(chǎn)生串行通信的其始信號0。
(3)一般情況下，為了減少線路上傳輸信號的反射，可在RS422總線電纜的遠端并接1個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120 Ω的匹配電阻。
3 工程實現(xiàn)
根據(jù)以上分析，這里給出一個RS422／RS485兼容的實際應(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。當用MAX491ESD進行RS422通信時，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；而當其作為RS485通信的時候，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)成兩個節(jié)點的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。這個實際電路是以信號分析模型作為指導的依據(jù)建立起來的，可以在實際的測試和運行中滿足預(yù)期要求。
4 結(jié)束語
本文從信號處理的角度分析了RS422／RS485網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成，并將其抽象為一個信號處理分析模型，從而給出相應(yīng)的傳遞函數(shù)和定義域。
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