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零延时RS-485接口电路的设计与应用

导读: 采用零延时RS-485接口电路,逻辑上采用主从式网络结构,物理结构上采用星型网络拓扑结构;设计出一种支持主从式网络结构的485HUB,经过通信协议的帧校验和帧超时的设计,进一步提高软件抗干扰的能力。测试结果表明,系统稳定可靠,抗干扰能力强。

  1 概述

 

  RS-485接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线,具有很强的抗共模干扰能力,在适当的波特率下传输距离远;同时易于进行网络扩展,被广泛的应用在很多工业现场。

  节能灯寿命检测环境中,主要干扰来自开关和寿命检测的强电干扰、开关产生的电磁干扰、空气循环设备的干扰等等;同时由于寿命检测环境温度高,强电系统复杂,也给系统的运行提出更高的要求。寿命检测系统要求实时报告每一盏节能灯的运行状态、环境温度、电压等,并在寿终计算出节能灯寿命、光通等参数。可见系统的传输数据量大,实时性强,因此物理总线的拓扑结构和通信协议尤为关键。

 

  2 接口设计

 

  良好的接口设计,应该在硬件上保证系统有良好的抗干扰性、稳定性和易扩展性。本系统选用了性价比很高的半双工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特点[1]:

  ①满足或超出TIA/EIA-485A标准的要求;

  ②低静态电流消耗——有效模式为小于0.3 mA,关闭模式为l nA;

  ③优化的驱动器输出信号,传输率达200kbps时保持低EMI

  ④1/8单元负载——1条总线上多达256个节点;

  ⑤总线引脚ESD保护超过16 kv;

  ⑥工业标准SN75176覆盖范围;

  ⑦失效保护功能。

  基于SN65HVD3082的RS-485接口电路,通常有三种方案。

  (1)直接控制收发的RS-485接口电路

  此方法使用控制器切换发送使能和接收使能端,控制接口电路数据的发送和接收。由于采用直接收发,因此需要发送和接收时的转换,只能加入额外的控制器来控制发送和接收的转换;同时,需要用控制器存储转发所有的传输数据,这样,每传输1帧数据,至少损失1个单位的接收时间(储存转发1帧数据的时间)。此方案不利于数据量大的实时通信,而且在发送和接收的切换过程中,在VA和VB(VA和VB分别是Rs一485总线的A、B端的电压)有阶跃电压的产生。这个阶跃电压对接收器的接收有干扰产生。

  (2)自动收发转换的RS-485接口电路

  图l所示的虚线框中为接口电路,通过对真值表进行分析,其发送和接收过程为:

  当发送端DI=O时,DE/RE=1发送O电平,接收端RO=O;当发送端DI=1时,DE/RE=0,VA=VB=2.5V,接收端由于上拉电阻的作用RO=1。

 

  

 

  在此接口电路的TXo端加入1kHz的TTL方波对电路进行测试。未加入120Ω端电阻时,接口芯片的485-A和485-B脚都有约50μs的电压变化过程,如图2所示。接收端Ro波形的上升沿有明显的延迟约30~40μs(和数据发送端DI比较),造成很大的传输误差;加入120Ω端电阻时,延迟明显缩小,约3μs。

 

  

 

  此电路在发送高电平时,发送器处于高阻状态,总线上所有接口处于接收状态,总线是空闲的,允许其他接口发送数据,因此容易引入总线冲突。特别是连续发送商电平比特时,发送器处于高阻状态的时间越长,引入总线冲突的几率就越大。

  (3)零延时的RS-485接口电路

  零延时RS-4185接口电路主要采用74HCl4和电路中的电阻、电容等元件构成一个延时很短的电路,其主要作用是:

  ①发送器在发送高电平的时候,在短延时内不再是处于高阻状态,仍有驱动电流存在,这样在一定程度上可以增加接口的抗干扰能力。

  ②从真值表可以看出.对于接收器,当VID=VA-VR≥一O.01 V时,RO=1;在发送端,当DE/RE=0,发送驱动器的VA和VB都是高阻态,此时VA=VB=2.5V,因此,这时对于接收端RO=1;而在短延时的时间内,由千DI=1且E/RE=1.所以RO=1.可见在短延时和DE/RE=0的时间内接收端RO=l,这样就完成了对高电平的发送和接收,而且在接收端的上升沿不会有延迟,即零延时,如图3所示。

  把图l中自动收发转换的RS-485接口电路换成零延时的RS-485接口电路,如图4所示。同样在TX0端加入1 kHz的方波对电路进行测试,结果是接收端RO的上升沿不会有延迟。这和是否接入120Ω的端电阻没有关系,证实了以上的分析。

  图2、3中虚线箭头指向处的电压为2.5 V。

  图4中,根据系统所确定的传输速度来选择R3和C0参数,以达到零延时。传输速度越高,延时越小。这里选择R3=22 kΩ,C0=1000 pF。

 

  

 

  自动收发转换的RS-4t85接口电路和零延时的RS-485接口电路都有不足之处,即在发送端发送连续的高电平时,逻辑上发送端是处于发送状态,接收端处于接收状态;但实际上,此时所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0,所以,所有的发送端和接收端都处于接收状态。这在对等的网络结构中是不能忽视的,因为在这段时间内,总线是空闲的,是允许节点发送数据的。

  这里采用的是主从式的网络结构,因此这个问题不会影响系统工作。

 

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