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發布者:普天寧普防雷 發布時間:2016-9-28 閱讀:1154次 
RS-485電路設計及接口防護

一、電路


1.1. RS485通訊標準協議


相信RS485通訊標準大家都已經熟悉了,也不再多說。下面的說明部分在網上廣為流傳,就抄抄下來吧。


典型的串行通訊標準是RS232和RS485.它們定義了電壓,阻抗等。但不對軟件協議給予定義,區別于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的數據最高傳輸速率為10Mbps


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


d. RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺,實際上可達 3000米。 RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器,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絡 ,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,內置TVS保護,具有15KV靜電防護能力;稍差一點的BC182,則可以防護至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防護能力,驅動能力,對485總線差分信號的定義等。


1.3. 485應用電路舉例。


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,避免雜訊影響。上/下拉電阻取得小,則負載加重,會影響485總路線上節點數量;而取得大,則會影響數據傳輸的波特率。,一般在幾K到幾十K之間,具體還在看應用電路的需求。(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載;而換成47K,則可以掛到一百多個負載;但若要在9600bps下通信,則上/下拉要小一些才行,目前的試驗發現,10K基本上已經是極限了)


b. 對地TVS用作ESD防護。


c. 盡量不要以上/下拉電阻來驅動負載,最好單獨用一路信號控制使能端,以充足發揮IC的驅動能力。


d. V485輸出能力要足夠。因工業應用領域,485總路線上有可能同時接很多節點,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致無法正常通信。


二、接口防護設計


2.1 ESD防護


以TI 3082為例,芯片本身只能保證4KV HBM的ESD防護,而系統要求為8KV接觸放電,此時就需要在A/B線間對地加TVS來保護芯片。TVS管盡量選用高速、低容值、大通流量的,當然夠用就好,不必追求過高的性能。啟動電壓和截止電壓選取要恰當,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,是用正確的器件以及合理的PCB Layout來實現的。


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,這種是不可恢復的。二是Latch-up,這種重新上電后又會消失,但長時間latch-up狀態,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,往往要到客戶現場合用過一段時間后才會發現,這種損傷是最應該避免的。曾經我們有一款產品,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問題,后來分析才發現是ESD沖擊導致芯片軟損傷的結果。


2.2 高壓防護


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


以本電路為例,以兩路PTC+TVS管形成回路,當有大的交流電壓灌入時,PTC開始發熱,進而形成高阻,保證后續電路。


在布板時,應注意在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


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


2.4 高壓沖擊防護


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

 

三、應用


RS485的理論通信距離可達1200m,速率可達幾Mbps,通訊節點可達256個(不同的芯片會有不同,也有支持四五百個節點的產品)。但在實際應用中受電路、接線方式及應用環境影響很大。下面重點說說接線方式(這部分是從網上摘抄的,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 布線規則:485總線要采用手拉手結構,而不能采用星形結構,從總線到每個節點的引出線長度應盡量短。


3.3 連續性:應注意總線特性阻抗的連續性,在阻抗不連續點就會發生信號的反射,造成通訊可靠性下降,所以,應該使用一條單一、連續的雙絞線作為總線。下列幾種情況易產生這種不連續性:


a,總線的不同區段采用了不同電纜。

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組建網絡過程中另一個需要注意的問題是終端負載電阻問題,一般終端匹配采用終端電阻方法, RS-485應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到1200米,但在實際應用中由于外界的確一些干擾等因素,傳輸的距離要比1200米短,具體能傳輸多遠視周圍環境而定,在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大,延長傳輸距離。


3.6 接地:將485通訊線的屏蔽層用作地線,將讀卡器、RS232-RS485轉換器、電腦的地連接在一起,并且將RS485通訊線屏蔽層可靠接地,可接到建筑物避雷器的接地連接線上,接地連接線建議使用截面積4平方毫米以上多股銅線,從通訊線屏蔽層到建筑物避雷器的連接線盡可能短,并且連接時注意一定要可靠,連接點注意防銹。當使用光電隔離型中繼器做線路延長或者分支時,各個分支的屏蔽層沒有直接連接,此時,每個分支的屏蔽層都應該獨立接地,接地要求同上。在同一條總線上或者同一個分支上,只能有一個接地點。

 

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