用于電能計(jì)量應(yīng)用的RS-485故障安全和信號丟失檢測器
簡介
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201705/359129.htm電能計(jì)量通信端口常常使用RS-485接口,可能受到大共模噪聲、地電位差和高壓瞬變的影響。具體說來,通過主節(jié)點(diǎn)(中央數(shù)據(jù)收集點(diǎn))與電表從節(jié)點(diǎn)之間的長電纜,這些危險(xiǎn)因素可能會破壞數(shù)據(jù)通信,甚至引起RS-485接口永久損壞。
圖1顯示了三相電能計(jì)量從節(jié)點(diǎn)中的可能隔離域。隔離柵可以位于模擬前端(AFE)處或RS-485通信端口處。將三相AFE配合ADE7912或ADE7913使用,以隔離通信接口并測量A相、B相和C相上的電壓和電流。RS-485收發(fā)器將三相從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)隔離開來,并允許主節(jié)點(diǎn)和電表從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行可靠的控制和數(shù)據(jù)傳輸。無論隔離柵放在何處,ADI公司的iCoupler?技術(shù)都能在有系統(tǒng)接地差異、共模噪聲和電壓瞬變的情況下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。
采用RS-485作為物理層的更高級電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),例如IEC 62052-11和IEC 62053-21(有功電能1類和2類交流靜態(tài)瓦時(shí)電表),針對RS-485接收器在空閑總線(無有效信號)上工作的情況,規(guī)定了一個(gè)明確的輸出狀態(tài)。ADM2682E iCoupler信號和isoPower?隔離式RS-485收發(fā)器具備真正的故障安全特性,針對總線空閑、開路和短路狀況會提供邏輯高電平接收器輸出。若使用總線信號丟失(LOS)檢測器電路,可以給RS-485節(jié)點(diǎn)增加其他系統(tǒng)診斷功能。
圖1.位于隔離式AFE處或RS-485通信端口處的三相電能計(jì)量從節(jié)點(diǎn)的可能隔離域
故障安全和遲滯
總線空閑、開路和短路故障安全
ADM2682E /ADM2687E具備真正的故障安全特性,針對總線空閑、開路和短路狀況接收器會輸出邏輯高電平。
當(dāng)RS-485 A和B引腳斷開且沒有端接電阻或其他節(jié)點(diǎn)時(shí),開路故障安全特性會確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為高電平。ADI公司的所有RS-485收發(fā)器都有此特性。在ADM2682E A引腳上有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻。如果A引腳斷開且浮空,則該上拉電阻會將A引腳上拉至?30 mV以上。在ADM2682E B引腳上也有一個(gè)下拉電阻。如果B引腳斷開且浮空,則該下拉電阻會將B引腳下拉至-200 mV以下。這種情況下,A引腳電壓大于B引腳電壓,產(chǎn)生一個(gè)總線差分高電壓,接收器輸出為恒定邏輯高電平。
當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動總線到相反電平時(shí),或當(dāng)總線線路短接在一起時(shí),短路故障安全特性會確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為邏輯高電平。
總線空閑故障安全特性更為復(fù)雜;當(dāng)沒有節(jié)點(diǎn)驅(qū)動RS-485總線上的信號時(shí),該特性會使ADM2682E或ADM2687E接收器輸出邏輯高電平。第一種方法是使用故障安全RS-485收發(fā)器,其接收器偏移閾值為?30 mV(舉例而言),而不是TIA/EIA-845-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)的200 mV。具有總線空閑故障安全特性的ADI RS-485收發(fā)器也有短路故障安全特性。第二種方法是使用總線上的上拉和下拉電阻,確保一個(gè)最小差分電壓。這種方法也稱為有源端接法。根據(jù)電源電壓和總線負(fù)載,計(jì)算所需的電阻值,包括端接電阻和接收器阻抗。
圖2.ADM2682E或ADM2687E接收器故障安全特性
遲滯
TIA/EIA-845-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議,RS-485收發(fā)器應(yīng)采取措施防止接收器發(fā)生不穩(wěn)定或振蕩狀況。接收器遲滯有助于增強(qiáng)其穩(wěn)定性,并提供一種抗擾手段,這對長電纜布線和惡劣現(xiàn)場總線環(huán)境特別重要。
ADM2682E /ADM2687E數(shù)據(jù)手冊規(guī)定接收器典型遲滯(ΔVHYS)(此處的“hys”大寫)為15 mV,接收器差分輸入閾值電壓范圍(VTH)為?200 mV至?30 mV。VTH是接收器輸出電壓(VRO)從高電平變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖降拈撝?。ΔVTH本質(zhì)上是高電平到低電平的VTH(圖3左側(cè))與低電平到高電平的VTH(圖3右側(cè))之差。
接收器遲滯ΔVTH幫助確保接收器差分輸入閾值電壓(VTH)周圍的噪聲不會導(dǎo)致接收器輸出發(fā)生雜散性邏輯高電平或邏輯低電平轉(zhuǎn)換。
圖3.ADM2682E或ADM2687E接收器遲滯
RS-485信號丟失(LOS)檢測器
非隔離式實(shí)現(xiàn)方案
如果一個(gè)連接器斷開與電表從節(jié)點(diǎn)的連接,或者一條RS-485電纜錯(cuò)誤斷開,LOS檢測器就會提醒系統(tǒng)微控制器。圖1顯示系統(tǒng)隔離柵既可放在AFE處,也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵放在AFE處,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)非隔離式LOS檢測器電路。
圖4顯示了一個(gè)非隔離式RS-485 LOS檢測器電路。LOS檢測器電路由第二個(gè)ADM3078E收發(fā)器構(gòu)成,其用于實(shí)時(shí)監(jiān)控總線狀態(tài)。LOS檢測器電路還包含一個(gè)簡單的NC7S08 AND門,其連接到兩個(gè)ADM3078E器件的RO引腳。NC7S08 AND門的輸出隨后由電阻R和電容C進(jìn)行低通濾波。該低通濾波器的輸出(即LOS邏輯信號)通過導(dǎo)線直連到系統(tǒng)微控制器。
在正常工作期間,ADM3078E接收器可以檢測到來自RS-485總線的有效高電平輸入,并通過RO接收器輸出端輸出一個(gè)邏輯高電平信號。針對總線、開路、短路和空閑狀況,ADM3078E接收器故障安全特性也會輸出一個(gè)邏輯高電平信號。當(dāng)RS-485總線上長時(shí)間無信號時(shí),LOS檢測器電路會明確提醒系統(tǒng)微控制器。
圖4所示的LOS電路包括兩路ADM3078E接收器輸出,即RO和,其連接到NC7S08 AND門。當(dāng)RO和的邏輯狀態(tài)相同時(shí),AND門輸出為邏輯高電平,表示總線電壓為0 V(RS-485總線上無信號)。
兩路ADM3078E接收器輸出的傳播延遲之差可能在NC7S08 AND門輸出上引起雜散毛刺。ADM3078E數(shù)據(jù)手冊顯示,接收器傳播延遲最大值為75 ns。在典型實(shí)驗(yàn)室測量中,接收器傳播延遲可能是40 ns。典型實(shí)驗(yàn)室測量的RO輸出和輸出之間可能有35 ns的傳播延遲差。此測量設(shè)置利用一個(gè)由27 ?電阻和220 pF電容形成的低通濾波器來補(bǔ)償35 ns的典型差值。
添加一個(gè)ADM3078E節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控總線LOS,則會導(dǎo)致RS-485網(wǎng)絡(luò)可支持的有效節(jié)點(diǎn)數(shù)減少。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮正??偩€流量下的總線空閑時(shí)間,并在微控制器LOS故障提醒軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)序延遲予以解決。該延遲用于防止總線空閑狀況觸發(fā)系統(tǒng)LOS故障誤報(bào)。
圖4.采用ADM3078E的非隔離式LOS檢測器電路
圖5顯示了對應(yīng)于圖4所示電路的測量信號。針對RS-485總線上無信號的特定狀況,系統(tǒng)微控制器得到的LOS邏輯輸出為邏輯高電平。
圖5.LOS檢測器電路測量
隔離式實(shí)施方案
圖1顯示系統(tǒng)隔離柵既可放在AFE處,也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵不放在AFE處,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)隔離式LOS檢測器電路。圖6顯示了一個(gè)隔離式RS-485 LOS檢測器。
圖6.采用ADM2682E的隔離式LOS檢測器電路
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