RS-485電路設(shè)計及接口防護(hù)解讀

一、電路.

1.1. RS485通訊標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議.

相信RS485通訊標(biāo)準(zhǔn)大家都已經(jīng)熟悉了，也不再多說。下面的說明部分在網(wǎng)上廣為流傳，就抄抄下來吧。

典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485.它們定義了電壓,阻抗等。但不對軟件協(xié)議給予定義，區(qū)別于RS232, RS485的特性包括：

a. RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2—6) V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2—6)V表示。接口信號電平比RS -232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。

b. RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps

c. RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

d. RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實際上可達(dá) 3000米。 RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個收發(fā)器，因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò) ，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

1.2. 典型的RS485通信芯片

以TI為例，通常所用的BC184，內(nèi)置TVS保護(hù)，具有15KV靜電防護(hù)能力;稍差一點的BC182，則可以防護(hù)至8KV ESD沖擊;而3082，則只能承受4KV ESD沖擊。在選用485芯片時，需注意其ESD防護(hù)能力，驅(qū)動能力，對485總線差分信號的定義等。

1.3. 485應(yīng)用電路舉例。

如下圖：

a. A/B線需拉上下拉，保證總線空閑時，A/B差分信號仍是確定狀態(tài)，避免雜訊影響。上/下拉電阻取得小，則負(fù)載加重，會影響485總路線上節(jié)點數(shù)量;而取得大，則會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省?，一般在幾K到幾十K之間，具體還在看應(yīng)用電路的需求。(比如此電路中上/下拉取值為3.3K，在實際帶載測試(1200bps)時，485總線上只能掛十幾外負(fù)載;而換成47K，則可以掛到一百多個負(fù)載;但若要在9600bps下通信，則上/下拉要小一些才行，目前的試驗發(fā)現(xiàn)，10K基本上已經(jīng)是極限了)

b. 對地TVS用作ESD防護(hù)。

c. 盡量不要以上/下拉電阻來驅(qū)動負(fù)載，最好單獨用一路信號控制使能端，以充足發(fā)揮IC的驅(qū)動能力。

d. V485輸出能力要足夠。因工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，485總路線上有可能同時接很多節(jié)點，此時A/B線對外輸出電流會比較大，若V485前端供電電路輸出不夠，則差分電壓不夠而導(dǎo)致無法正常通信。

二、接口防護(hù)設(shè)計

2.1 ESD防護(hù)

以TI 3082為例，芯片本身只能保證4KV HBM的ESD防護(hù)，而系統(tǒng)要求為8KV接觸放電，此時就需要在A/B線間對地加TVS來保護(hù)芯片。TVS管盡量選用高速、低容值、大通流量的，當(dāng)然夠用就好，不必追求過高的性能。啟動電壓和截止電壓選取要恰當(dāng)，以防止TVS誤動作，而干擾485的正常通信(還要考慮到485總線上的共模電壓部分)。

在進(jìn)行PCB布板時，盡量使V485靠近電源輸出端，使電源線路盡量短;要保證接線良好，TVS管接地路徑也要盡量短。同時在V485前端供電電路輸出端，應(yīng)采用大電容并小電容的方式，平滑輸出的同時，還能吸引部分ESD帶來的高壓尖峰。

總之，好的ESD防護(hù)，是用正確的器件以及合理的PCB Layout來實現(xiàn)的。

順便說說，通常ESD沖擊到來，會造成三種類型的芯片損傷。一是擊穿，這種是不可恢復(fù)的。二是Latch-up，這種重新上電后又會消失，但長時間latch-up狀態(tài)，則會使芯片燒毀。三是軟損傷，這種損傷并不會使芯片馬上失效，但會使芯片可靠性降低，這種損傷最隱性，往往要到客戶現(xiàn)場合用過一段時間后才會發(fā)現(xiàn)，這種損傷是最應(yīng)該避免的。曾經(jīng)我們有一款產(chǎn)品，做ESD測試都能過，但往往在客戶端使用一段時間后就會出現(xiàn)問題，后來分析才發(fā)現(xiàn)是ESD沖擊導(dǎo)致芯片軟損傷的結(jié)果。

2.2 高壓防護(hù)

很多系統(tǒng)還會要求485接口能耐受市電或者工業(yè)電直接接入，保證數(shù)分鐘通電不損壞。這樣的要求是為了保證在應(yīng)用現(xiàn)場，工作人員不慎將交流電接入到485端口上時，不致引發(fā)485電路的損壞。

以本電路為例，以兩路PTC+TVS管形成回路，當(dāng)有大的交流電壓灌入時，PTC開始發(fā)熱，進(jìn)而形成高阻，保證后續(xù)電路。

在布板時，應(yīng)注意在PTC和TVS管的通路間的線寬要足夠大(通常0.5mm線寬可通過1A電流，具體因PCB不同而不同。)，以承受大電流的通過。

2.3 高壓高頻電磁脈沖防護(hù)

A/B線對地的TVS能起到一定的保護(hù)作用，但更重要的是PCB布板合理，防止高頻高壓脈沖耦合進(jìn)內(nèi)部線路，這部分可參考高頻電路的布板。

2.4 高壓沖擊防護(hù)

這部分防護(hù)，一是布板時要留足爬電距離;二是光耦及變壓器(有些系統(tǒng)是采用外置電源供電，同理)的隔離效果要好。

三、應(yīng)用

RS485的理論通信距離可達(dá)1200m，速率可達(dá)幾Mbps，通訊節(jié)點可達(dá)256個(不同的芯片會有不同，也有支持四五百個節(jié)點的產(chǎn)品)。但在實際應(yīng)用中受電路、接線方式及應(yīng)用環(huán)境影響很大。下面重點說說接線方式(這部分是從網(wǎng)上摘抄的，大家將就著看吧)。

3.1 線材: 采用特性阻抗120±20%歐姆，截面積0.5平方毫米帶屏蔽雙絞線電纜作總線。(注意此阻值并不特指線路純電阻，而是特定頻率下的線路阻抗，通常485的通信頻率在1.2K到幾百K之間。)

3.2 布線規(guī)則：485總線要采用手拉手結(jié)構(gòu)，而不能采用星形結(jié)構(gòu)，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短。

3.3 連續(xù)性：應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射，造成通訊可靠性下降，所以，應(yīng)該使用一條單一、連續(xù)的雙絞線作為總線。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：

a,總線的不同區(qū)段采用了不同電纜。

b,或某一段總線上有過多讀卡器緊靠在一起安裝。

c,分支線到總線的距離過長。

3.4 阻抗匹配：在RS485組建網(wǎng)絡(luò)過程中另一個需要注意的問題是終端負(fù)載電阻問題，一般終端匹配采用終端電阻方法， RS-485應(yīng)在總線電纜的開始和末端都并接120Ω終端電阻。

3.5 中繼：理論上RS485的最長傳輸距離能達(dá)到1200米，但在實際應(yīng)用中由于外界的確一些干擾等因素，傳輸?shù)木嚯x要比1200米短，具體能傳輸多遠(yuǎn)視周圍環(huán)境而定，在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進(jìn)行放大，延長傳輸距離。