如何簡化工業(yè)PC接口

工業(yè)PC設(shè)計領(lǐng)域的小型化和更多通信功能趨勢推動了現(xiàn)代總線收發(fā)器的發(fā)展。新型收發(fā)器因為集成度高、同時支持RS-232和 RS-485標(biāo)準(zhǔn)以及配置特性豐富，所以比傳統(tǒng)設(shè)計更受歡迎。

本文討論了業(yè)內(nèi)最常用的RS-232和RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，介紹了雙協(xié)議收發(fā)器的功能和特性，并探討了包括工業(yè)PC在內(nèi)的多協(xié)議應(yīng)用實例。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)

RS-232是一種僅針對點對點通信而定義的單端全雙工接口。這意味著一個驅(qū)動器連接到一個接收器，反過來也一樣，一個接收器連接到一個驅(qū)動器。這種接口需要驅(qū)動器和接收器接地之間具有地線連接，以便為信號發(fā)送和接收提供共同參考(圖1)。

圖1：單端點對點數(shù)據(jù)鏈路

RS-232試圖通過使用高信號振幅來獲得抗噪性。該標(biāo)準(zhǔn)使用反邏輯，并規(guī)定邏輯0為+3V至+15V總線電壓，邏輯1為 -3V至-15V總線電壓(圖2)。+3V 至 -3V范圍的邏輯狀態(tài)未定。

圖2：RS-232信號電平(A)，從邏輯轉(zhuǎn)換為總線信號(B)，帶有集成電荷泵的RS-232收發(fā)器(C)

目前的大多數(shù)RS-232設(shè)計使用一個或兩個數(shù)據(jù)通道，每個通道包含一個發(fā)送和接收信號對。提供兩個通道的收發(fā)器能用一個通道發(fā)送數(shù)據(jù)，用另一個通道進(jìn)行信號交換控制。單通道器件必須求助于軟件流控制。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大信號速率(19.8kbps)和最大壓擺率(30V/µs)。但現(xiàn)代收發(fā)器能夠通過減小總線電壓振幅，支持高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)速率而不違反壓擺率規(guī)范。盡管沒有具體規(guī)定，但最大電纜長度一般限于30米左右。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代早期，在嘈雜環(huán)境中和遠(yuǎn)距離實現(xiàn)穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸方面，一直保持著顯著更優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)的地位。該標(biāo)準(zhǔn)在兩條導(dǎo)線(A和B)的信號對上使用差分信號傳輸技術(shù)。按照該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在施加54差分載荷時，兩條導(dǎo)線之間的差分總線電壓擺幅為最小1.5V。

圖3：包含菊鏈總線節(jié)點和端接線纜末端的典型RS-485網(wǎng)絡(luò)

RS-485支持通過多點總線拓?fù)溥B網(wǎng)多達(dá)32個單位載荷?？偩€節(jié)點通過雙絞線電纜以菊鏈方式(圖3)相互連接。推薦的120電纜特性阻抗要求在電纜兩端都有終端電阻，其阻值應(yīng)與電纜阻抗匹配。

由于接收器輸入本質(zhì)上都參考地，所以驅(qū)動器與接收器之間無需單獨的地線連接。這是在接收器輸入電壓不超過-7V 至 +12V的規(guī)定共模電壓范圍的情況下。

RS-485支持最長4000英尺(1200米)電纜長度和最大10Mbps數(shù)據(jù)速率，但并非同時支持。對于給定的數(shù)據(jù)速率，最大適用電纜長度遵循保守的電纜長度相對數(shù)據(jù)速率關(guān)系特征，如圖4所示。

圖4：RS-485電纜長度相對數(shù)據(jù)速率關(guān)系特征

RS-485支持多點拓?fù)?，其中每個總線節(jié)點均可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。多點總線分為半雙工和全雙工兩個類型(圖5)。半雙工總線使用兩條跨線，其中一個節(jié)點可發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)。全雙工總線使用兩個信號對(四條導(dǎo)線)。一個信號對將主節(jié)點的驅(qū)動器連接到多個從節(jié)點的接收器，另一信號對將從節(jié)點的驅(qū)動器連接到主節(jié)點的接收器。該拓?fù)湓试S主節(jié)點向所有從節(jié)點廣播數(shù)據(jù)，或?qū)ぶ芬粋€特定從節(jié)點，同時接收來自從節(jié)點的數(shù)據(jù)(一次一個從節(jié)點)。全雙工總線可增加數(shù)據(jù)吞吐量，但由于接線更麻煩，所以要比半雙工總線貴許多。

圖5：半雙工和全雙工多點總線拓?fù)?/p>

雙協(xié)議收發(fā)器

現(xiàn)代收發(fā)器能夠支持新工業(yè)PC的設(shè)計和RS-232至RS-485/RS-422接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計?，F(xiàn)有RS-232設(shè)備(如傳統(tǒng)PC、儀表設(shè)備和工業(yè)機器)需要上述轉(zhuǎn)換器，以便連接至單一網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行遠(yuǎn)距離連接。

圖6顯示了一種雙協(xié)議收發(fā)器的電路圖。該器件包含兩個RS-232發(fā)送和接收通道以及一個全雙工RS-485收發(fā)器。請注意該收發(fā)器的直通式引腳分配，其一側(cè)是總線引腳，另一側(cè)是邏輯引腳。這允許輕松布置通向本地控制器的信號跡線，與傳統(tǒng)收發(fā)器相比有很大的優(yōu)勢(如圖3所示)，因為傳統(tǒng)收發(fā)器的引腳分配要求從總線到控制器側(cè)的信號跡線交叉，反之亦然。

圖6：包含一個RS-485和兩個RS-232收發(fā)器的雙協(xié)議收發(fā)器

當(dāng)獨立操作總線系統(tǒng)時，每個RS-232端口可支持最大400kbps數(shù)據(jù)速率，且不會超過規(guī)定最大壓擺率。

RS-485允許通過/SLOW485引腳選擇20Mbps高速模式和115kbps壓擺率限制模式。在高速模式下，驅(qū)動器輸出無壓擺率限制。這種模式僅應(yīng)在傳輸距離短于100英尺(30米)時使用。另外，高速模式還需要在電纜兩端使用終端電阻器，且電阻器的阻值必須匹配120Ω(RS-485電纜)或100Ω(五類線)的電纜特性阻抗。

現(xiàn)代收發(fā)器必須能在低供電電壓下高效工作，這是通過優(yōu)化電荷泵設(shè)計實現(xiàn)的。圖6中的電荷泵可建立用于RS-232驅(qū)動器的雙極電源(V+, V-)，只需要四個小的0.1μF電容器。其中兩個電容器用于實際電荷泵操作，將初始3.3V 電壓(Vcc)轉(zhuǎn)換為+5V ( V+ )和 -5.3V(V-)。另兩個電容器用于緩沖V+ 和 V-，以確保開關(guān)操作期間為RS-232驅(qū)動器提供充足的供電電流。

總收發(fā)器供電電流已經(jīng)小于4mA，通過使整個芯片進(jìn)入關(guān)斷模式還可以節(jié)省更多電能。這是通過將/SHDN引腳拉到邏輯低態(tài)而實現(xiàn)的。在關(guān)斷模式下，電荷泵停止工作，其余供電電流僅由流入邏輯輸入端的漏電流組成。因此，總漏電流取決于器件配置，但可低至40μA。

當(dāng)通過將/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)重新啟用器件時，電荷泵最多需要25微秒來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在此期間不能進(jìn)行RS-232通信。由于電荷泵不為RS-485收發(fā)器供電，RS-485通信可在/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)2微秒后開始。這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于在所有工作模式下都需要使用電荷泵的傳統(tǒng)收發(fā)器。

多協(xié)議應(yīng)用

將一個RS-485和兩個RS-232收發(fā)器集成為一個IC，可極大提高工業(yè)PC接口設(shè)計的多用途性，因為這樣本地控制器可獨立驅(qū)動許多總線系統(tǒng)或充當(dāng)接口轉(zhuǎn)換器，如圖7所示。當(dāng)用作RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器時，通道1和/或通道2的RS-232信號可轉(zhuǎn)換為邏輯電平，然后通過RS-485總線發(fā)送。通過使用地址編碼，RS-485鏈路兩端的控制器能夠區(qū)分兩個RS-232數(shù)據(jù)流。

圖7：通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個RS-232設(shè)備

為通過遠(yuǎn)距離點對點鏈路延長兩個RS-232接口之間的數(shù)據(jù)鏈路，雙協(xié)議收發(fā)器配置為獨立的RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器。這種情況下需要兩個轉(zhuǎn)換器(電纜兩端各一個)，以便將RS-485總線信號轉(zhuǎn)換為RS-232數(shù)據(jù)，反之亦然。該配置比較簡單，因為針對驅(qū)動器和接收器的啟用輸入可通過固定導(dǎo)線連接至其各自的電壓軌，使收發(fā)器持續(xù)處于活躍狀態(tài)(圖8A)。

圖8：通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個RS-232設(shè)備

在全雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個RS-232設(shè)備需要對從節(jié)點中的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輕微的配置變更。主節(jié)點(PC)中的驅(qū)動器和接收器可一直保持活躍狀態(tài)，從節(jié)點中的接收器也同樣可以。但必須嚴(yán)密控制從節(jié)點中的接收器，以防有兩個或更多從節(jié)點同時訪問總線。為此，需要使用第二個RS-232通道的驅(qū)動器利用RTS流控制信號來啟用和禁用RS-485驅(qū)動器(圖8B)。請注意，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部 ，RTS必須返回到控制器的CTS輸入。這稱為零調(diào)制解調(diào)器(null-modem)配置。

圖9：通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個RS-232設(shè)備

在半雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個RS-232設(shè)備需要圖9A所示的配置。在此配置中，RTS信號負(fù)責(zé)控制驅(qū)動器和接收器的啟用功能。所有節(jié)點(包括主節(jié)點和從節(jié)點)都需要此配置，因為半雙工總線一次只能沿一個方向發(fā)送數(shù)據(jù)。

在有些設(shè)備中，RTS和CTS控制信號可與待發(fā)送數(shù)據(jù)存在最大10毫秒的不同步。在此情況下，最好使啟用信號為數(shù)據(jù)驅(qū)動式信號。這是通過在驅(qū)動器輸入(DI)和啟用引腳(DE485和 /RE485)之間實施逆變器功能而實現(xiàn)的。這會在DI = 邏輯低態(tài)時使收發(fā)器處于發(fā)送模式，在DI = 邏輯高態(tài)時處于接收模式。在接收模式下，驅(qū)動器輸出具有高阻抗，低阻抗終端電阻器可將總線電壓減小至0V。由于RS-485接收器是完全防故障(full-failsafe)的器件，總線上的所有雙協(xié)議收發(fā)器會在接收器輸入端(RO)指示零總線電壓為邏輯高態(tài)。因此，在低態(tài)有效和高阻抗之間切換驅(qū)動器輸出，仍然會在另一個接收器的輸出端產(chǎn)生從低到高的轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

由于具有高集成度、同時支持RS-232和RS-485協(xié)議、可編程數(shù)據(jù)速率和省電配置等特性，現(xiàn)代雙協(xié)議收發(fā)器可簡化工業(yè)接口的設(shè)計。為支持系統(tǒng)工程師的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，Intersil提供了廣泛的固定和可編程、單通道和雙通道、多協(xié)議收發(fā)器。