工业物联网的有线接口连接解决方案

工业物联网（IIoT）意味着需要连接更多的传感器，包括传感器和执行器。虽然无线链路似乎是连接的简单解决方案，但它们受到安全问题，更高的初始成本以及工业环境中RF传播的不确定性的影响。

相反，许多应用程序使用传统方法可以提供更好的服务。但基于RS-232，RS-422，RS-423和RS-485协议的收发器大为改进。这些可以帮助设计人员优化系统可靠性，信号完整性和成本效益。然后，通过这些有线链路收集的汇总数据可以通过强大的有线或无线链路连接到后端网络和互联网。

然而，对这些建立的新要求并且成功的有线标准超出了他们的原始要求。更高的通道数和密度，以及更快的数据速率，使设计人员难以设计出满足ESD（静电放电），低电压操作和容错要求的新要求的令人满意的解决方案。

什么是RS -232及其相关标准？

推荐标准232（RS-232）由电子工业协会（EIA）于1962年发布。其最初的作用是将计算机连接到机电电传打字机（通常称为“电传”） “机器”，调制解调器和打印机，但很快就采用了许多其他接口应用程序。

RS-232是一个相对简单的标准，仅限于单点的点对点串行链路发件人和收件人。它可用于单工，半双工和全双工链路，并且限制为19，200波特（不一定与比特/秒相同，但通常是这样）。最广泛使用的版本RS-232D指定使用±25伏特来发信号通知1和0。请注意，标准没有指定数据本身的编码。它只调出信号电平，转换速率，启动/停止帧以及连接的基本握手。

为满足不断增长的网络需求，标准扩展到RS-422，RS-423 ，最后是RS-485，增加了多点功能，更高的速度和更长的距离（表1）。

规格RS-232 RS-423 RS-422 RS-485工作模式单端单 - 结束一条线路上的驱动器和接收器的差分差分总数（一个驱动器一次激活RS-485网络）1驱动程序

1接收器1驱动程序

10接收器1驱动程序

10接收器32驱动器

32接收器最大电缆长度50英尺4000英尺4000英尺4000英尺最大数据速率（40英尺 - 4000英尺。用于RS-422/RS-485），波特/秒20 kb/s 100 kb/s 100 kb/s至10 Mb/s 100 kb/s至10 Mb/s最大驱动器输出电压±25 V±6 V -0.25 V至+6 V -7 V至+12 V驱动器输出信号电平

（加载最小值）加载±5 V至±15 V±3.6 V±2.0 V±1.5 V驱动器输出信号电平

（无负载最大值）空载±25 V±6 V±6 V±6 V驱动器负载阻抗（欧姆）3kΩ至7kΩ≥450Ω100Ω54Ω最大值。高Z状态下的驱动器电流开启N/A N/A N/A±100μA最大值。驱动器电流在高Z状态下断电±6 mA @±2 V±100μA±100μA±100μA压摆率（最大值）30 V/μS可调节N/AN/A接收器输入电压范围±15 V ±12 V -10 V至+10 V -7 V至+12 V接收器输入灵敏度±3 V±200 mV±200 mV±200 mV接收器输入电阻（欧姆），

（1个RS-485标准负载） ）3kΩ至7kΩ4kΩ（最小值）4kΩ（最小值）≥12kΩ

表1：各种RS-xxx标准的关键电气规范和性能摘要是了解其特性的起点。完整标准规定了所有操作参数的测试条件和电路。 （数据来源：改编自RE Smith公司。）

各种RS标准的许多用户选择不完全遵循标准，而是使用经过修改的专有变体以提高速度，或获得其他一些标准属性。尽管标称标签相同，但这些变体可能与其他接口不完全兼容。另请注意，各种RS标准未指定或强制使用连接器类型。也就是说，最常推荐的连接器是带有9，15或25个引脚的D形连接器（图1）。

图1：尽管RS-xxx标准没有规定连接器类型，但建议使用多针D型连接器，并且经常（但不是唯一地）使用。所示为9针版本，但也使用15针和25针版本。 （图片来源：维基百科）

随着RS-xxx的普及和普及，设计人员需要更高的通道数和密度，以及更快的数据速率。他们还面临着设计令人满意的解决方案的挑战，这些解决方案符合新的要求，包括故障安全（容错）要求，瞬态ESD（静电放电）保护和低电压操作。 RS-xxx收发器有很多种选择，除了基本的性能规格外，还有不同的功能组合。

故障安全与故障

近年来，RS-485标准在RS-xxx组中占据主导地位，因为它具有更高的速度，更低的电压和多个发送器/接收器功能（图2）。 RS-485标准规定，当差分输入电压≥+ 200 mV时，接收器应置为逻辑高电平输出，当≤200mV时，接收器应处于逻辑低电平。在这两个阈值电平之间，接收器输出是未定义的并且可以随机地呈现任一状态。

图2：RS-485已成为最常用的标准，因为它支持单总线上的多个源/接收器，低电压操作，以及更高的数据速率。总线需要一个具有线路特征阻抗的终端电阻，以防止高速信号反射。 （图像来源：德州仪器公司）

有三个因素可能导致有效输入信号丢失和未定义状态。线路中断或收发器与公共总线无意断开，差分线对彼此连接的低阻短路，或者当总线“空闲”时，意味着没有收发器在主动模式。这最后一个条件不是传统意义上的错误。相反，这是一个非常短期的情况，当所有线路驱动器暂时不活动以避免总线争用时，因为控制从一个驱动器传递到另一个驱动器。

在出现诸如开路或类似硬故障的情况下短路时，必须确保浮动（断开）连接不会被感应电压（开路）损坏，或者过电流不会造成损坏（短路）。这些问题不再是RS-485收发器的主要问题，因为保护在其历史上相对较早的时候被设计到收发器IC中。然而，总线空闲情况仍然存在，因为它是RS-485操作的固有特性。

总线空闲状态的解决方案是将故障保护偏置电阻（RFS）添加到总线（图3） ）。由于偏置电阻和线路终端电阻RT1和RT2之间的分压（这些已经到位以终止具有其特征阻抗（通常为120Ω）的总线），这些可确保接收器输出被强制进入定义状态。

图3：通过添加故障保护电阻RFS，设计确保接收器输出在“总线空闲”模式下处于定义状态。电阻值由收发器负载数量和电源容差的电路分析确定。 （来源：德州仪器）

显而易见的问题是：RFS的适当价值是什么？答案是必须通过计算确定，具体取决于收发器的数量和电源的最小电压。

新设计的替代方案是选择RS-485收发器，例如Texas Instruments SN65HVD08DR。这包括故障保护偏置电阻，以提供接收器输入阈值的内部偏置，用于开路，总线空闲或短路故障保护条件。这消除了计算问题和外部电阻。但是，在一些正在升级的传统应用中，混合使用和不具备这些电阻的收发器需要进行一些仔细的建模和分析，以及使用没有故障保护偏置的收发器，例如德州仪器SN75176BDR（图4）。

图4：虽然有些收发器包含完整的故障保护偏置电阻，但SN75176BDR却没有，因为有些应用需要允许用户在外部调整大小并提供这些组件。 （来源：德州仪器）

保护至关重要

在工业环境中，由于电机启动和其他类似事件引起的瞬态很常见。保护RS-485接口免受这些瞬变影响的标准方法是使用钳位二极管阻止它们到达收发器IC（图5）。使用这些二极管是有效的，但它们的电容可能会使未受保护的器件的接地噪声容限降低几伏。

图5：苛刻的电气许多工业环境的环境要求瞬态抑制。这可以通过外部二极管和瞬态电压抑制器（TVS）提供，如SN75LBC176DR收发器左侧所示。 （来源：德州仪器）

然而，对于成本和空间压力下的设计人员而言，钳位二极管会增加设计BOM并需要电路板空间，同时还可能影响整体性能规格。德州仪器（TI）的SN75LBC184DR RS-485收发器通过包含可消除性能缺陷的二极管来帮助避免这些问题（图6）。这些二极管和其他设计内含物可以防止脉冲，峰值功率高达400 W，符合IEC 61000-4-5标准，加上保护至±15 kV至IEC-61000-4-2气隙，±8 kV接触IEC -61000-4-2，和人体模型（HBM）要求的±15 kV。

图6：供应商越来越多地采用瞬态抑制在收发器IC内，例如SN75LBC184DR。此实现不仅可以修整BOM，还可以使供应商满足许多严格的瞬态相关标准。 （图像来源：德州仪器公司）

在浪涌要求较高的情况下，总线可能需要通过快速动作瞬态电压抑制（TVS）设备提供额外保护。如果闪电是一个问题，这种保护可能扩展到包括气体放电管（GDT）。 GDT施加非常小的负载，具有非常快的反应时间，并且可以处理数千伏特。现代GDT采用微型SMT封装，占用的空间比其他无源器件少。

RS-485芯片供应商推出了故障和瞬态保护，以减少恶劣应用中的设备故障。瞬态保护适用于短期事件，可被视为故障保护的不太严格的子集。请注意，不同的供应商提供符合标准要求的最低保护的部件，然后添加各种类型和级别的保护以满足其目标市场的需求。因此，在查看RS-xxx部件时，请务必不仅要判断基本功能，还要判断它提供的保护的具体情况。

低压设计的电压转换

随着电路越来越多地使用3.3和5V等较低电压，内部电压轨与RS标准要求之间可能存在10 V范围内的电压要求，以实现接口兼容性。设计人员可以选择为接口使用单独的更高电压电源，同时在系统的其余部分使用较低的电压轨，或者使用具有内部电压升压的IC。

第一个选项增加了IC和一些与BOM相关的无源器件，但其优点是它允许从各种接口IC和供应商中进行选择。系统中也可能存在可用的更高电压轨，该轨可能能够提供所需的电压和电流以支持接口。

第二种选择意味着选择带有接口IC的接口IC。内部电荷泵，可以在低电压下工作，并产生所需的双极性较大电压。例如，多协议Exar XR34350 RS-232/485/422串行收发器在单个+3.3或+5.0 V电源内部工作，但可以通过增加四个小值外部电容器（C1-C4）来产生±10 V输出（图7）。

图7：Exar XR34350 RS-232/485/422串行收发器是一种多协议设备，其数量和组合收发器通道取决于所选的特定协议。它有一个内部电荷泵，因此它可以从较低电压的单极轨提供高达±10 V的电压。 （来源：Exar Corp。）

XR34350的设计人员还强调了对工业应用的保护，所有发送器输出和接收器输入都具有±15 kV的强大ESD保护，符合IEC-61000-4-2标准气隙，符合IEC-61000-4-2的±8 kV接触，以及±15 kV至HBM的要求。 XR34350不仅满足，而且实际上超过了其中一些标准。此外，它还包括一个高级故障保护终止方案，当输入打开，短路或终止但未被驱动时，它会自动将输出默认为逻辑高电平。这是在没有外部偏置电阻的情况下完成的。

结论

虽然对无线IIoT连接很感兴趣，但有线RS-xxx接口标准仍然是连接传感器的经过验证的可靠解决方案到工业环境中的公共汽车或网络。它们提供许多非工业有线和无线连接无法提供的属性，并且已经适应了许多情况。因此，设计人员可以从各种部件中进行选择，具有各种配置，特性，功能和特性，以适应应用。