利用3.3V供电RS485接口将数据传输距离提升至1219米 - 全文

一、前言

在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，通常使用串行通讯方式进行数据交换。最初的RS232接口，由于外界应用环境等因素，经常因电气干扰而导致信号传输错误。除此之外，RS232接口只能实现点对点的通信方式，不具备联网功能，而且其最大传输距离仅有15米，不能满足远距离通讯要求。RS485则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，最大传输距离约为1219米，允许多个发送器连接到同一条总线上。

考虑到节能、低功耗等原因，系统电压由传统的5V转为3.3V，因此3.3V供电的RS485接口应运而生。

二、RS-485标准概述

RS-485数据信号采用差分传输方式，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。当线路A高于线路B电平(VA-VB>+200mV)时，接收端输出为逻辑高电平(RO=1);当线路A低于线路B电平(VA-VB-200mV)时，接收端输出为逻辑低电平(RO=0)。当驱动器的输入端逻辑电平为高(DI=1)时，线路A电平高于线路B电平;当驱动器的输入端逻辑电平为低(DI=0)时，线路A电平低于线路B电平。见图1。

三、低压RS-485网络电路的设计要点

1、共模干扰

RS-485 接口采用差分方式传输信号，一般收发器能够承受的共模电压范围为-7V至+12V，一旦共模电压超出此范围，将会影响通信的可靠性，甚至损坏接口。由于每个系统都会有独立的地回路，在远距离通信条件下，系统间的地电位差VGPD将会很大。发送器的输出共模电压为VOC,那么接收器输入端的共模电压VCM=VOC+VGPD，RS-485标准规定VOC小于等于3V，但VGPD的幅度可达十几伏甚至数十伏，并可能伴有强干扰信号，导致接收器的共模输入VCM超出正常范围，并在信号线上产生干扰电流。解决此类问题的方法是：

a、通过带隔离的DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离，如图2所示;

b、通过光耦将信号隔离，减小共模电压的影响。

采用该方法时，总线收发器的信号线和电源线与本地信号的电源是相互隔离的。

2、光耦隔离电路

光耦往往是限制通信数据波特率的主要因素，对于低速传输，可采用PS250、TIL117等。在高速电路设计中，可以考虑采用6N137、6N136等高速光耦，优化电路参数设计。光耦隔离示意图如图3所示。图3中，电阻R3、R4如果选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和状态的速度变慢;如果选取得过小，退出饱和将会变慢。不同型号的光耦及驱动电路，使得这两个电阻的数值略有差异，阻值的选取通常由实验来确定。

图3：光耦隔离示意图

3、端接电阻

RS-485数据信号采用差分传输方式，信号在转换期间和转换之后会发生反射。数据的传输速率较低或者通讯距离较近时，反射持续时间较短，对接收的逻辑电平没有影响，可以不用终端匹配。相反，如果数据的传输速率高或者通讯距离较远时，反射持续时间较长，则需要对总线进行终端匹配。

那么究竟在怎样的数据速率和电缆长度时需要进行总线匹配呢?一条经验性的原则是：当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时无需进行终端匹配。

终端匹配有以下两种方案：

a、电阻匹配，在RS-485总线电缆的始端和末端都并接终端电阻。端接电阻取120Ω，与双绞线电缆特性阻抗匹配。该方案比较简单，目前最为普遍。如图4所示。该方案的弊端在于，匹配电阻对功率消耗较大，不太适合对功耗限制比较严格的系统。

图4：端接电阻示意图

b、RC匹配，在总线直接串联一个电阻和电容。容值的选取与信号的传输速率有关，电路连接方式如图5。由于电容的存在，减少了大部分的功率损耗，同时也影响了信号的传输速率。因此，容值的选取就显得比较关键。

图5：RC匹配示意图

4、故障保护

RS-485网络中，当所有的收发器都工作在接收模式时，总线处于空闲状态。此时总线上的差分电压VA-VB=0，接收器输出处于未定义状态，从而导致UART接收错误信息。除此之外，总线的断路、短路故障，都会造成UART上接收到错误信息。为了避免出现以上错误，在总线上放置上、下拉电阻。图6为总线偏置电路。电阻R1、R2的选择可根据下列计算方法得出，R1=R2=R，RT=120Ω(由于总线上终端和起始端各有1个120Ω终端电阻，所以RT0取值60Ω)，VA-VB=Vcc*RT/(2R+RT0)，应满足VA-VB>200mV，低压传输时，取Vcc=3.3V，那么R=465Ω。

5、瞬态保护

实际应用中，RS-485总线上经常会遇到雷击、静电、电源波动等情况，由于传输线对高频信号相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线等同于开路。瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护可能会引起通信接口器件的损坏。通常情况下，会采取旁路保护方法，如图7所示。