盡管無線網(wǎng)絡(luò)越來越普及，有線串行網(wǎng)絡(luò)依然是最可靠、魯棒性最好的通信方式，特別是在惡劣環(huán)境下。對于工業(yè)和樓宇自動化等要求具備較高的抗干擾、抗靜電能力，以及高壓故障保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境，這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供更有效通信，進(jìn)而保障設(shè)備的正常運(yùn)行時間。本指南回顧RS-485協(xié)議并討論其廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的原因，以及常見問題的解決途徑。

RS-485與RS-422

RS-485的特性使其成為惡劣工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用最廣的接口協(xié)議。
在惡劣的工業(yè)和樓宇自動化網(wǎng)中，RS-485收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)串口通信最常見的物理層接口。該串行標(biāo)準(zhǔn)通過兩根線提供差分信號，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的遠(yuǎn)距離、高速率傳輸。RS-485標(biāo)準(zhǔn)提供的接口可承受惡劣環(huán)境。工業(yè)和樓宇自動化應(yīng)用中最常見的問題之一是在快速切換電感負(fù)載、靜電放電以及工廠自動化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中頻繁的電壓浪涌，會產(chǎn)生較大的電氣特性瞬變，進(jìn)而破壞數(shù)據(jù)傳輸或造成物理網(wǎng)絡(luò)損壞。

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現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)接口協(xié)議有很多種，每種協(xié)議都是針對特定的應(yīng)用開的，具有特定的協(xié)議規(guī)范和結(jié)構(gòu)。接口包括CAN、RS-232、RS-485/RS-422、I2C、I2S、LIN、SPI和SMBus等。其中，RS-485和RS-422仍然是最可靠的協(xié)議之一，特別適合工廠和樓宇自動化等惡劣的工業(yè)電氣環(huán)境。

盡管RS-485與RS-422非常相似，但兩者不同。以下是這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之間的一些差異，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時需要注意。RS-422最適合只需要一個總線主機(jī)(驅(qū)動器)的工業(yè)環(huán)境，提供高達(dá)10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。RS-422使用兩根線發(fā)送信號，提高最大波特率和電纜長度。RS-422是為多點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，總線上只連接一個發(fā)送器且只有一個發(fā)送器進(jìn)行發(fā)送，最多10個接收器(圖1)。典型應(yīng)用包括過程自動化(化工、釀造、造紙廠)、工廠自動化(汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動控制。

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圖1. RS-422多點(diǎn)總線

當(dāng)需要多個總線主機(jī)/驅(qū)動器時，RS-485具有更高的靈活性。該標(biāo)準(zhǔn)在RS-422的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將設(shè)備數(shù)量從10個提高到了32個，擁有更寬的共模和差分電壓范圍，確保在最大負(fù)載下具有足夠的信號電壓。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建連接到單個RS-485串口的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。較強(qiáng)的抗噪性和多點(diǎn)功能使RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中的首選串行鏈路，可將多個分布式設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到PC或者其它控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、HMI等類似操作。RS-485是RS-422的擴(kuò)展，因此所有RS-422設(shè)備均可通過RS-485進(jìn)行控制。

RS - 485 與RS - 422的典型應(yīng)用相類似： 過程自動化( 化工、釀造、造紙廠) 、工廠自動化( 汽車和金屬制造)、HVAC、安防、電機(jī)控制和運(yùn)動控制。由于RS-485提高了靈活性，所以在兩者中更常見。

深入了解RS-485

如上所述，TIA/EIA-485常被稱為RS-485，是工業(yè)中應(yīng)用最廣的接口。RS-485可用于長達(dá)4000英尺的距離和高達(dá)52 Mbps的速率，理想用于大型工廠環(huán)境，以支持工業(yè)自動化所需的高數(shù)據(jù)速率和長電纜距離。

RS-485接口可使用一對傳輸線工作在半雙工模式，或使用兩對線(4線)工作在全雙工模式，以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。半雙工多點(diǎn)配置時可支持最多32個驅(qū)動器和多達(dá)32個接收器。市場上已經(jīng)出現(xiàn)具有1/4單位負(fù)載甚至1/8單位負(fù)載接收器輸入阻抗的新器件，例如MAX13448E，允許一條總線上掛接128至256個接收器。擁有這種增強(qiáng)的多點(diǎn)功能后，用戶可構(gòu)建大型RS-485串行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

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圖2：工業(yè)應(yīng)用中常見的多點(diǎn)半雙工收發(fā)器系統(tǒng)

接收器輸入檢測靈敏度為±200mV，意味著接收器只有檢測到高于+200mV和低于-200mV的信號電平才識別為1或0位(圖3)。在±200mV范圍之內(nèi)的噪聲被有效屏蔽。差分信號有效消除共模噪聲。最小接收器輸入阻抗為12kΩ，驅(qū)動器輸出電壓最小值±1.5V、最大值±5V。

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圖3：RS-485的最小總線信號電平

工業(yè)環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)

在可能損壞硬件或?qū)?shù)字通信產(chǎn)生不利影響的環(huán)境條件下，為保證可靠操作，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨諸多困難。

其中之一是工廠自動化領(lǐng)域的過程自動控制環(huán)節(jié)。過程控制器監(jiān)測、測量環(huán)境變量，并將執(zhí)行命令發(fā)送到控制或報警裝置?？刂破鞔蠖嗷?a target="_blank">微控制器設(shè)計(jì)，其架構(gòu)優(yōu)化滿足工廠和應(yīng)用的需求。這些系統(tǒng)中的點(diǎn)對點(diǎn)通信線路容易受惡劣電氣環(huán)境的影響。

工業(yè)應(yīng)用中使用的DC - DC轉(zhuǎn)換器包括高輸入電壓和隔離電源轉(zhuǎn)換器。許多應(yīng)用采用24V或48V DC分布式供電?？偩€電源降壓轉(zhuǎn)換至12V或5V后，再采用負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器提供必要的供電。用于遠(yuǎn)端傳感器和執(zhí)行器通信的網(wǎng)絡(luò)還需要保護(hù)措施，以防止瞬態(tài)、EMI以及地電位差的影響。

Maxim Integrated致力于保證工業(yè)應(yīng)用IC的可靠性，并且能夠承受惡劣的電氣環(huán)境。Maxim的RS-485收發(fā)器IC內(nèi)置保護(hù)功能，例如高ESD保護(hù)、高壓故障保護(hù)（防止較大電壓尖峰）和熱插撥功能，確保無誤碼數(shù)據(jù)傳輸。

惡劣環(huán)境與系統(tǒng)保護(hù)

以下是R S - 4 8 5 收發(fā)器集成的保護(hù)功能。

增強(qiáng)ESD

兩種具有不同電勢的材料相互接觸時，會發(fā)生靜電放電(ESD，一種過壓故障)，儲存的靜態(tài)電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生火花。ESD火花往往是由于人與周圍環(huán)境的相互作用產(chǎn)生的。這些意外的火花會改變半導(dǎo)體器件的特性，使其性能下降或徹底損毀。在更換電纜甚至接觸到I/O端口時，ESD也會威脅到電子系統(tǒng)。伴隨這些日常事件產(chǎn)生的放電，可能會損毀接口IC，進(jìn)而造成端口無效(圖4)。此類故障的代價可能非常昂貴—不但增加保修成本，降低產(chǎn)品的品質(zhì)認(rèn)知度。ESD是一種嚴(yán)重的工業(yè)問題，據(jù)估算每年造成數(shù)十億美元的損失?，F(xiàn)場發(fā)生的ESD事件會造成個別元件失效，有時會引發(fā)災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。

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圖4. ESD保護(hù)性能不足的IC，很容易發(fā)生災(zāi)難性的故障

外部ESD二極管和其它分立元件可用于保護(hù)數(shù)據(jù)線。許多IC集成一定程度的ESD保護(hù)，IC本身無需更多的外部保護(hù)。圖5所示為常見集成保護(hù)的簡化功能圖。信號輸入/輸出(I/O)上的電壓尖峰被箝位到VCC或GND，以保護(hù)內(nèi)部電路。許多接口產(chǎn)品和模擬開關(guān)集成ESD保護(hù)，其設(shè)計(jì)符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。

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圖5：簡化的集成ESD保護(hù)電路

Maxim Integrated投入了大量精力開發(fā)具有可靠ESD保護(hù)的IC。從RS-232和RS-485接口IC開始，Maxim已經(jīng)成為接口收發(fā)器E S D保護(hù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。這些器件的I/O引腳可承受IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ESD沖擊，非?？煽浚瑹o需外部元件，且成本低于絕大多數(shù)替代方案。

Maxim器件的所有引腳均采用ESD保護(hù)架構(gòu)，在處理和組裝期間提供靜電放電保護(hù)。具有高E S D保護(hù)的器件，例如MAX3483AE/MAX3485AE系列，其發(fā)送器輸出和接收器輸入提供高達(dá)±20kV ESD保護(hù)功能。這些收發(fā)器不但不會被低于其額定值的ESD尖峰損壞，而且在靜電沖擊后無需斷電或重啟即可繼續(xù)正常工作。此外，在上電、斷電及關(guān)斷模式下均提供ESD尖峰保護(hù)。

故障保護(hù)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，RS-485器件的驅(qū)動器輸出/接收器輸入經(jīng)常遭受瞬態(tài)高壓(電壓超出了EIA/TIA-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-7V至+12V范圍)沖擊。此類故障不同于ESD事件。ESD事件的持續(xù)時間較短，小于100ns，而電壓故障通常持續(xù)較長時間，大約為200μs或更長。過壓等故障可能是由于接線錯誤、連接松散、電纜擠壓等故障造成的，甚至是PCB或連接器中的焊料碎屑造成電源線與數(shù)據(jù)短接。許多工業(yè)電源超過+20V，所以這種現(xiàn)象可能是災(zāi)難性的。與數(shù)據(jù)線的任何接觸可能都會造成標(biāo)準(zhǔn)、沒有保護(hù)的RS-485收發(fā)器損壞。

為預(yù)防這些故障，普通的RS-485器件需要昂貴的分立式外部保護(hù)電路或器件。具有故障保護(hù)功能的RS-485收發(fā)器提供通信總線上高達(dá)±40V、±60V甚至±80V的過壓保護(hù)。Maxim提供許多具有故障保護(hù)功能的RS- 4 8 5 /RS-422收發(fā)器，例如MAX13442EMAX13444E，數(shù)據(jù)引腳可承受高直流電壓。為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，省去外部保護(hù)，此類故障保護(hù)器件的驅(qū)動器輸出和接收器輸入可承受高達(dá)±80V(相對于地)的故障電壓，不會造成損壞。無論器件處于工作狀態(tài)、關(guān)斷模式還是沒有供電，均能保證有效保護(hù)。這使其成為業(yè)界最可靠的收發(fā)器，理想用于工業(yè)應(yīng)用。這些器件的設(shè)計(jì)可承受過壓故障，例如直接短路到電源、接線錯誤、連接器故障、電纜碾壓以及錯誤使用工具等。

真失效保護(hù)接收器

許多RS-485收發(fā)器的重要特性之一是真失效保護(hù)，該功能可保證接收器在輸入開路時或端接總線的所有發(fā)送器被禁止(高阻態(tài))時，輸出為邏輯高電平。真失效保護(hù)通過將接收器輸入門限更改為略低的-50mV和-200mV負(fù)差分電壓， 解決了總線跌落問題。通過將接收器輸入門限設(shè)置
為-50mV和-200mV之間，確保邏輯高電平輸出。如果差分接收器輸入電壓(VA - VB)大于或等于-50mV，RO輸出為邏輯高電平；如果(VA - VB)小于或等于-200mV，RO輸出為邏輯低電平。當(dāng)掛接在終端匹配總線上的所有發(fā)送器都禁止時，接收器差分輸入電壓將通過匹配電阻拉至地，失效保護(hù)確保接收器輸出邏輯高電平，噪聲裕量為50mV (最小)。與以往的失效保護(hù)器件不同，-50mV至-200mV門限電壓滿足EIA/TIA-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±200mV。

熱插拔功能

熱插拔電路可消除電路初始化過程中或連接到帶電背板時數(shù)據(jù)電纜的錯誤跳變；短路限流和熱關(guān)斷保護(hù)電路可以使驅(qū)動器不受大功率損耗的損害。

將電路板插入到帶電背板時，可能會在DE、DE/RE、RE以及接收器輸入A、B線上引起較大的電壓瞬變，從而造成數(shù)據(jù)通信故障。例如，電路板插入時，處理器執(zhí)行上電序列。在此期間，輸出驅(qū)動器的高阻態(tài)不能將收發(fā)器的使能輸入驅(qū)動至預(yù)定邏輯電平。同時，高阻輸出高達(dá)10μA的漏電流，或者VC C或G N D的容性耦合噪聲，可能造成輸入漂移到不正確的邏輯狀態(tài)。為防止發(fā)生此類問題，MA X 3 4 4 0 E -MA X 3 4 4 3 E在DE、DE/RE和RE端增加了熱插拔保護(hù)電路，防止在熱插拔條件下錯誤地激活驅(qū)動器。VCC升高時，熱關(guān)斷(或RE上拉)電路使DE保持至少10μs的低電平狀態(tài)，直到DE電流超過200μA。完成初始上電過程后，下拉電路不起作用，并復(fù)位熱插拔輸入。

內(nèi)部熱插拔電路的工作原理是什么？驅(qū)動器使能輸入(DE)由兩個nMOS器件M1和M2 (圖6)構(gòu)成。當(dāng)VCC由零開始上升時，內(nèi)部15μs定時打開M2，觸發(fā)SR鎖存器，而鎖存器又同時打開M1。晶體管M2 (2mA流入電流源)和M1 (100μA流入電流源)通過5.6kΩ電阻將DE拉至GND。M2將DE拉至禁止?fàn)顟B(tài)，防止最高100pF的外部寄生電容將DE驅(qū)動為高電平。15μs后，定時器斷開M2，M1保持導(dǎo)通，使DE保持低電平，防止三態(tài)漏電流將DE驅(qū)動到高電平。M1保持導(dǎo)通，直到外部電流源達(dá)到所要求的輸入驅(qū)動電流。此時，復(fù)位SR鎖存器，M1關(guān)斷。M1關(guān)閉時，DE恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)高阻CMOS輸入。一旦VCC下降至1V以下，即復(fù)位輸入。對于RE，互補(bǔ)電路利用兩個pMOS器件將RE拉高至VCC。

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圖6. 驅(qū)動器使能引腳(DE)簡化結(jié)構(gòu)

總結(jié)

工廠自動化等工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用容易受惡劣電氣環(huán)境的影響。對于系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師來說，開發(fā)能夠承受此類工作環(huán)境的硬件時，綜合考慮各種原因的電壓瞬變至關(guān)重要。大多數(shù)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)借助RS-485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，以及收發(fā)器IC的特殊安全功能，可以勝任此類工作。諸如外部ESD保護(hù)、高壓故障保護(hù)以及熱插拔等結(jié)構(gòu)可預(yù)防故障的發(fā)生，有助于保證系統(tǒng)可靠性。