通信電路設(shè)計指引

美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009485通信電路設(shè)計指引(發(fā)布日期:2009-04-241范圍本設(shè)計指引對485通信電路的電路原理,各器件的參數(shù)計算選擇,相關(guān)技術(shù)要求和實(shí)際使用中的有關(guān)問題進(jìn)行了闡述。本設(shè)計指引適用于美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部的485通信電路的設(shè)計。2規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn),然而,鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。QMN-J29.001空調(diào)器電子控制器(原標(biāo)準(zhǔn)號02.0083定義半雙工方式:此種方式下的系統(tǒng)中每個通信設(shè)備均有發(fā)送器和接收器,由電子開關(guān)切換,兩個通信設(shè)備之間只用一根通信線相連接,通信雙方都可以接收或者發(fā)送,但同一時刻只能單向傳輸。4總述RS-485總線作為一種允許多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ烹姎庖?guī)范,定義了一個極為堅固可靠的,基于單對平衡線的多點(diǎn),雙向(半雙工的通信鏈路,具有長傳輸距離、寬共模范圍、信號沖突保護(hù)、低成本和良好的抑制高噪聲等特性。RS-485實(shí)質(zhì)上是一個電氣接口規(guī)范,它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性,而沒有規(guī)定插件、傳輸電纜與通信協(xié)議,在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。目前美的家用空調(diào)很多機(jī)型,尤其是基站系列空調(diào)均使用到了RS-485通信電路。RS-485的接口規(guī)范特點(diǎn)如下:1美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范●平衡傳輸、差動工作模式●驅(qū)動器帶載最小輸入電壓:±1.5V●最大輸出短路電流:250mA●接收器輸入門限:±200mV●-7V至+12V總線共模范圍●接收器輸出邏輯高:>200mV●最大總線負(fù)載:64個單位負(fù)載●最大傳輸速率:10Mbps●多點(diǎn)通信規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009●驅(qū)動器帶載最大輸入電壓:±5V●驅(qū)動器輸出阻抗:54●接收器最小輸入阻抗:12K●最大輸入電流1.0mA/-0.8mA(12Vin/-7Vin●接收器輸出邏輯低:<200mV●允許收發(fā)器數(shù)目:32Tx、32Rx●最大電纜長度:約1.2千米4.1電路原理圖如圖1所示:+5V102C2C1104+5VR1101R21011N41481N4148D1D21N4148D51N4148D6C3104+5V8765VccBAGNDROREDEDI1234102C4R6101R7101R18R19R20512512512RO1RE/DE1DI1512512512R15R16R171234ROVccREBDEADIGNDIC1MAX130858765D4D31N41481N4148RO2RE/DE2DI2依依依依依依依依R4121R5121R3101R8101D71N41481N4148D91N4148D111N4148D13D81N4148IC2MAX13085+5V+5V+5V依依依依依依依依D101N4148+5V1N4148D15+5VD121N41481N4148D14D161N4148+5VC5104+5VC71045678DIGNDDEAREBROVccMAX13085IC3MAX13085IC4+5V512512512R23R22R21DIGNDDEAREBROVcc5678+5V512512512R24R25R26102C84321101R9R10R11101101R12101102C6R13R14101101DI3RE/DE3RO3依依依依依依依依4321RO4RE/DE4DI4依依依依依依依依圖1使用MAX13085通信芯片的485通信電路原理圖2美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范4.2工作原理簡介規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009DI是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線,RO是接收總線上的數(shù)據(jù),RE/DE是接收/發(fā)送允許,低電平時為接收,高電平時為發(fā)送。對于全雙工芯片,這兩個控制線可以同時有效,但對于半雙工的芯片,同一時間只能一個有效。當(dāng)傳輸?shù)木嚯x很長時,而雙方信息的交換又不是很頻繁時都是采用半雙工方式,這樣可以節(jié)省一對傳輸用線。我們空調(diào)一般都是使用半雙工方式。主芯片將通信內(nèi)容通過通信芯片MAX13085轉(zhuǎn)換為485總線的差分信號在總線上傳輸,再通過通信芯片MAX13085轉(zhuǎn)換為正常的5V波形輸入到主芯片上去,實(shí)現(xiàn)了主從機(jī)的通信。美的家用空調(diào)內(nèi)銷使用過的485通信芯片主要有MAX3082和MAX13085兩種型號,由于市場上出現(xiàn)了較多的MAX3082假冒芯片,對產(chǎn)品質(zhì)量存在較大風(fēng)險,目前已全部切換為MAX13085型號,且主要使用SO-8貼片封裝,MAX3082和MAX13085的主要區(qū)別在于:MAX3082的工作電壓允許為+7V,輸出端電壓為±13V,最高傳輸速率為115Kbps,不支持熱插拔;而MAX13085的工作電壓允許為+6V,輸出端電壓為-8V~+13V,最高傳輸速率為250Kbps,支持熱插拔;4.3各元器件作用通信芯片IC1——485通信芯片,將主芯片的COMS電平轉(zhuǎn)換為總線上的差分信號,或?qū)⒖偩€上的差分信號轉(zhuǎn)換為主芯片能識別的COMS電平;瓷片電容C1——對通信芯片電源進(jìn)行處理;瓷片電容C2——將輸入到的主芯片信號濾波;上拉電阻R1,R2,R3——主芯片與485芯片之間的限流電阻;匹配電阻R4——為了解決總線上的發(fā)射和干擾,有時候就需要對總線進(jìn)行終端匹配,如果反射信號在采樣開始時已經(jīng)衰減到可以忽略,那就不用考慮總線匹配問題。由于目前我們通用的雙絞線的這個特性阻抗是100至120之間,因此在485電路的首端及末端增加一個100或120的電阻;二極管D1、D2、D3、D4——總線的上鉗位二極管,主要是濾掉總線上的串?dāng)_信號,同時降低各節(jié)點(diǎn)的反射信號,提高通信質(zhì)量;R15、R16、R17——為選裝電阻,主要用作上拉用,解決主芯片三個通信口為開漏口時不能有效輸出電平的問題;當(dāng)三通信口為普通I/O口時,可以不加此電阻。4.4各元器件選型通信芯片IC1選用MAXIM公司的新一代RS-485通信MAX3080~3089系列產(chǎn)品中的MAX3085,主要使用SO-8貼片封裝(202300700433,其中插件封裝不推薦使用。C1選用104的貼片或者瓷片電容均可;C2選用102的貼片或者瓷片電容均可,但是必須要加,否則通信的可靠性會受到很大的影響;R1,R2,R3選用100歐的普通貼片或插件電阻;R4選用120歐姆的1206貼片或插件電阻;D1、D2、D3、D4選貼片或插件的1N4148開關(guān)二極管;R15-R26依據(jù)對應(yīng)主芯片端口的實(shí)際情況可選,選用5.1K的普通貼片或插件電阻。4.5RS-485通信電路的可靠性設(shè)計3美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范4.5.1網(wǎng)絡(luò)連接及節(jié)點(diǎn)配置規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009事實(shí)上,雖然RS-485規(guī)范的定義里只定義了一個雙線通信鏈路,但是在實(shí)際使用中,我們可以利用一條或者兩條這樣的鏈路來建立實(shí)用的通信網(wǎng)絡(luò),也就是說,RS-485可以很好的支持半雙工和全雙工的通信模式。一般的,對于一條這樣的鏈路,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。而不支持常見的星型或者環(huán)形結(jié)構(gòu)。485總線的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)際上對通信的可靠性是影響巨大的,特別是在通信距離的延長和通信數(shù)據(jù)傳送速率或者說通信所用波特率的提高之后,不良影響會越來越嚴(yán)重。下圖2中的(1、(2、(3是一些常見的錯誤的連接方案,其中的小圓圈代表一個接收/發(fā)圖2485通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)常見錯誤連接及改正方案送器單元。連線表示連接總線的電纜,一般我們采用屏蔽雙絞線作為這個連接介質(zhì)。在(4、(5、(6里,我給出了對應(yīng)于(1、(2、(3的連接改正方案。(1、(2、(3連接方案,雖然在某些情況下,比如很短的距離,對通信速率要求不高,可以采用低速率,而且收發(fā)單元也很少等場合,可能可以實(shí)現(xiàn)通信。但一旦這些方案用于通信距離長,和通信速率要求高的現(xiàn)場,就可能出現(xiàn)不能通信。主要的原因就是信號在各個支路會發(fā)生信號反射,和原信號疊加,造成了信號的不穩(wěn)定性。另外,由電磁學(xué)理論我們知道,反射還可能發(fā)生在線路阻抗不連續(xù)或者起伏較大的地方,比如不同線路段采用了不同的電纜,某個段連接了很多收發(fā)器而另一段卻很少,又或者某收發(fā)單元到主干總線的連線太長,都可能出現(xiàn)阻抗的不連續(xù),發(fā)生信號反射?？偩€的配置還涉及到連接的收發(fā)器數(shù)目問題,RS-485總線沒有給出一個允許連接的收發(fā)器數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,但是規(guī)定了最大的總線負(fù)載容量,那就是最多接32個單位負(fù)載,每個單位負(fù)載的最大輸入電流是1.0mA/-0.8mA,也就是相當(dāng)于12K。這就給接口芯片一個擴(kuò)充收發(fā)器的可能性,器件生產(chǎn)商通過增大收發(fā)器的輸入電阻從而達(dá)到增加節(jié)點(diǎn)數(shù)的目的。4.5.2總線匹配是否對RS-485總線進(jìn)行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的,只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗(yàn)性的準(zhǔn)則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進(jìn)行匹配:當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時間(上升或下降4美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns,典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜,那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長度不超過16米,采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。當(dāng)考慮終端匹配時,有多種匹配方案可以選擇。常用的、最簡單可靠的匹配方式,就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻(圖3A。大多數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間,但該匹配方式有一個缺點(diǎn),那就是匹配電阻要消耗較大功率,對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合,目前美的家用空調(diào)485通信電路基本都是使用此匹配方式。比較省電的匹配方式就是RC匹配,如圖3B示,利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點(diǎn),需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。另外,還有一種采用二極管的匹配方案(圖3C。這種方案雖未實(shí)現(xiàn)真正的"匹配",但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號,達(dá)到改善信號質(zhì)量的目的,節(jié)能效果顯著。+5VD61N4148D51N4148RRCD81N4148D71N41483A3B3C圖3通信電路終端匹配方案示意圖4.5.3節(jié)點(diǎn)引出線長度RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線,引出線過長時,由于信號在引出線中的反射,也會影響總線上的信號質(zhì)量。和前面的討論一樣,系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)。下面的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來估算引出線的最大長度:Lmax=(tRISE×0.2m/ns/10以MAX483為例,對應(yīng)于250ns的上升/下降時間,總線允許的最大引出線長度約為5米。5美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009從以上的分析可以看出，減緩信號的前后沿斜率有利于降低對于總線匹配、引出線長度的要求，改善信號質(zhì)量，同時，還使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射，因此，有些器件生產(chǎn)廠商在RS-485接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。由此看來，在選擇接口器件時，并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇最低速率的器件。4.5.4失效保護(hù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器門限為±200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，但同時也帶來了一個問題：當(dāng)總線電壓在±200mV中間時接收器輸出狀態(tài)不確定。由于UART以一個前導(dǎo)"0"觸發(fā)一次接收動作，所以接收器的不定態(tài)可能會使UART錯誤地接收一些數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作。當(dāng)總線空閑、開路或短路時都有可能出現(xiàn)兩線電壓差低于200mV的情況，必須采取一定措施避免接收器處于不定態(tài)。傳統(tǒng)的做法是給總線加偏置，當(dāng)總線空閑或開路時，利用偏置電阻將總線偏置在一個確定的狀態(tài)（差分電壓≥200mV）。但這種方法仍然不能解決總線短路時的問題，為此，有些器件制造商將接收門限移到-200mV/-50mV，巧妙地解決了這個問題。例如Maxim公司為MAX3080系列RS-485接口，不但省去了外部偏置電阻，而且解決了總線短路情況下的失效保護(hù)問題。4.5.5地線與接地對于電子系統(tǒng)的設(shè)計。我們知道電源和接地問題是一個非常關(guān)鍵的問題，如果處理不好，經(jīng)常導(dǎo)致不能穩(wěn)定的工作甚至危及系統(tǒng)安全。對于一個可靠的RS-485系統(tǒng)也是這樣。因?yàn)樵赗S-485的規(guī)范中只是強(qiáng)調(diào)了用兩根雙絞線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信線路A(+和B(-，受此影響。一個錯誤的觀點(diǎn)是認(rèn)為RS-485鏈路不需要信號地，只要把A和B線路用兩個雙絞線連起來就行了，因?yàn)镽S-485接口是用差分方式傳輸信號的，并不需要相對于某個參照地來檢測信號，系統(tǒng)只需要檢測兩線間的電位差就可以了。無可否認(rèn)在某些情況下這是可以工作的，但是也給系統(tǒng)留下了很大的隱患。一個問題就是共模干擾，注意到收發(fā)器只有在共模電壓不超過一定的范圍（-7V~+12V）圖4共模干擾模型VCM=Vos＋VGPD條件下才能正常工作，所以當(dāng)共模電壓超出這個范圍時通信的可靠性就受到考驗(yàn)了。嚴(yán)重的話還可能燒毀接口。如圖4給出的模型，發(fā)送器A對發(fā)送器B發(fā)數(shù)據(jù)時，輸出的共模電壓為Vos，A如果A、是不共B地的話。那么就可能存在地電位差VGPD。那么接收器B輸入的共模電壓就會達(dá)到VCM=Vos＋VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Vos≤3V，但是注意到VGPD可能會有很大的幅度（甚至幾十伏特）且可能伴有強(qiáng)的干擾信號，這樣B接收端輸入VCM就有可能超出正常范圍，在信號線上引入干擾電流，影響通信甚至燒6美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范毀電纜。規(guī)范編號：QMN-J33.230-2009除了共模干擾，還有一個就是電磁輻射（EMI）對總線的影響，驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如果系統(tǒng)沒有接地的回路，共模信號沒有一個低阻的回路，就會以電磁輻射的方式返回源端，整個總線就像一個長天線一樣向外輻射電磁波。這樣造成的信號損失和信息泄漏是很嚴(yán)重的。接地的措施其實(shí)很多，不過這些措施與共模干擾的頻率和干擾源的內(nèi)阻有關(guān)，4給出了一些不同圖情況下可考慮的措施：圖5485通信電路的接地方案（1）：干擾源內(nèi)阻大，直接加一低阻信號地線；（2）：干擾源內(nèi)阻小，在（1）的基礎(chǔ)上可以在信號地回路中加電阻，不過注意到這可能會增大共模電壓，R1、R2的取值要控制好，不能影響通信；（3）：浮地接法，當(dāng)干擾源內(nèi)阻實(shí)在太小，這種方法是可行的，因?yàn)楦魯嗔私拥鼗芈罚纬傻沫h(huán)路電流不會很大；（4）：如果在（3）情況下，信號地和大地或機(jī)殼不能隔斷，那這種電氣隔離的方法是可行的。當(dāng)然，以上所述的各種情況都是在低頻率的情況下適用，如果是高頻瞬態(tài)干擾就不能這樣考慮了。因?yàn)橐€有電感，這個接地回路對瞬態(tài)干擾等于開路，瞬態(tài)干擾的產(chǎn)生我們可以想象得到，系統(tǒng)周邊的別的大功率感性器件，如電機(jī)、變壓器、繼電器等等，甚至最平常的就是閃電了。采用的措施可以類似圖5中的（4）的電氣隔離方法?；蛘哂梅烹姽艿人矐B(tài)抑制器件，總之最終目的就是將瞬態(tài)放出的能量引到大地上去。我們通常選用0.001uF的高壓電容。C1當(dāng)然這些都必須根據(jù)實(shí)際安裝的電氣環(huán)境及布線現(xiàn)場來考慮。4.5.6網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)保護(hù)前面提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。因?yàn)橐€電感的作用，對于高頻瞬態(tài)干擾來講，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓，但持續(xù)時間很短。在切換大功率感性負(fù)載（電機(jī)、變壓器、繼電器等）、閃電等過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。7美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號：QMN-J33.230-2009圖5A所示為隔離保護(hù)方案。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離，已有器件廠商將所有這些元件集成在一片IC中，使用起來非常簡便，Maxim如公司的MAX1480/MAX1490，隔離電壓可以到2500V。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以承受高電壓、持續(xù)時間較長的瞬態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易，缺點(diǎn)是成本較高。圖5B所示為旁路保護(hù)方案。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)