【導(dǎo)讀】RS-485接口通信在某些情況下，例如當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器釋放總線給另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，會出現(xiàn)短時(shí)間總線上沒有驅(qū)動(dòng)電流的情況。此時(shí)，兩端的匹配電阻會將差分總線電壓放至0V，這對于許多RS-485接收器來說是一個(gè)未定義的輸入電平。
RS-485接口通信在某些情況下，例如當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器釋放總線給另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，會出現(xiàn)短時(shí)間總線上沒有驅(qū)動(dòng)電流的情況。此時(shí)，兩端的匹配電阻會將差分總線電壓放至0V，這對于許多RS-485接收器來說是一個(gè)未定義的輸入電平。對于這種未定義的輸入電平，接收器可能會輸出錯(cuò)誤的邏輯狀態(tài)，或在更糟的情況下發(fā)生振蕩。振蕩會被控制器誤解為不斷重復(fù)的通訊開始位，導(dǎo)致控制器浪費(fèi)寶貴的帶寬去響應(yīng)這些并非真正的通訊請求。而故障安全總線偏置電路是解決此問題的方法之一。
注：下文中出現(xiàn)的
被動(dòng)元器件通訊無故障偏置電路是當(dāng)驅(qū)動(dòng)總線上沒有驅(qū)動(dòng)電流時(shí)（見圖1），通過上拉、端接和下拉電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓操作提供一個(gè)差分直流總線電壓VAB，進(jìn)而保證通訊安全無故障。
如果要驅(qū)動(dòng)所有接口器件輸出達(dá)到定義的高電平空閑狀態(tài)，VAB必須高于最大輸入閾值VIT-MAX 。此外，考慮到在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的情況，應(yīng)該增加足夠的噪聲容限使得VAB = VIT -MAX + VNoise。
圖1 適用于短至中等總線距離的通訊安全無故障偏置電阻網(wǎng)絡(luò)
本文會幫助系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)成功的通訊安全無故障偏置網(wǎng)絡(luò)。通過提供計(jì)算公式，可以幫助計(jì)算電阻阻值以及收發(fā)器由于單向和雙向通訊安全無故障所加端接電阻而允許的最大總線負(fù)載。文章還將展示ISL315x系列高VOD收發(fā)器，其共模可接60個(gè)負(fù)載單元（UL）的驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器的32個(gè)負(fù)載單元（UL）的驅(qū)動(dòng)能力。
單端通訊安全無故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
對于≤100米短距離通訊,和通訊空閑時(shí)線上電壓在0.05V≤VAB≤0.3V，在總線的一端設(shè)置偏置電路一般就足夠了。為了簡化，圖1所示的網(wǎng)絡(luò)被轉(zhuǎn)換成圖2的簡化等效電路。請注意偏置電阻RB和終端電阻RT1和RT2。REQ表示連接到總線的所有收發(fā)器的等效輸入電阻。
圖2 電路的簡化集總等效模型
在推導(dǎo)電阻值計(jì)算等式之前，先看一下線路阻抗匹配和共模負(fù)載所須滿足的條件:
1) 沒加偏置網(wǎng)絡(luò)的電纜的端接電阻為RT1，其阻值應(yīng)與電纜的特性阻抗Z0匹配。
2) 為了匹配正常工作時(shí)的線路阻抗，與終端電阻RT2并聯(lián)的兩個(gè)偏置串聯(lián)電阻組合必須匹配電纜的特性阻抗：Z0 = 2RB||RT2.因此，對于給定的RB值，RT2變?yōu)椋?/p>
3) RS-485規(guī)定了最大共模負(fù)載，符合標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器必須能夠使用32個(gè)并行UL驅(qū)動(dòng)。一個(gè)單位負(fù)載(UL)的最小共模電阻約為12kΩ。因此，32個(gè)UL的總共模負(fù)載導(dǎo)致最小的共模電阻RCM=375Ω。
由于偏置電阻是等效的收發(fā)器輸入電阻外的共模負(fù)載，因此RB和REQ的并聯(lián)值必須大于或等于RCM：RB||REQ ≥ RCM。因此對于給定的RB值，REQ被限制為：
為了找到計(jì)算RB的等式，我們確定了圖2中A和B的節(jié)點(diǎn)電流，并求出各線的電壓VA和VB。
節(jié)點(diǎn)A）
節(jié)點(diǎn)B）
然后計(jì)算線電壓之間的差值可求得差分總線電壓：
代入EQ.1，2和3到EQ.4得到了線纜上通訊空閑時(shí)直流電壓的最終等式：
并且求解RB的最小偏置電阻值：
共模負(fù)載
由于通訊安全無故障偏置電路帶來了額外的共模負(fù)載，因此有必要計(jì)算加了這個(gè)負(fù)載后線纜上所允許收發(fā)器單元的最大數(shù)量nUL，要確保總線負(fù)載不至于降到RCM =375Ω以下。
nUL是1單位負(fù)載（UL）共模電阻與線纜上所有收發(fā)器單元負(fù)載共模電阻之間的比例：nUL =12kΩ/ REQ ，代入EQ.3等式得到：
使用n×1UL，2n×1/2UL，4n×1/4UL或8n×1/8UL個(gè)收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)器單元負(fù)載的最大數(shù)量。
兩端通訊安全無故障偏置電路
為了在長電纜中保持恒定的VAB，總線兩端都需要加偏置電路。每端偏置電阻網(wǎng)絡(luò)可以補(bǔ)償電纜另一端偏置電壓在線纜上的損耗。
圖3顯示了具有兩端通訊安全無故障偏置電路的簡化等效電路。
圖3 兩端通訊安全無故障偏置電路的簡化等效模型
對于終端電阻的要求RT與單端通訊安全無故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)的RT2相同，要求是 Z0 = 2RB||RT。因此，對于給定的RB ，RT必須是：
但是，共模負(fù)載的條件發(fā)生了變化，因?yàn)榫€纜兩端都有并聯(lián)接地的偏置電阻。因此，RB/2和REQ的并聯(lián)組合需要大于或等于RCM ：RB/2 || REQ ≥ RCM。因此，對于給定的RB值，REQ被限制為：
為了得到RB的等式，我們分別確定節(jié)點(diǎn)電流A和B。因?yàn)槠镁W(wǎng)絡(luò)是相同的，所以它們通過REQ驅(qū)動(dòng)相同的電流量。因此，我們必須通過REQ建立一個(gè)電流然后將其乘以2，以確定總線中間的VAB。
節(jié)點(diǎn)A）
節(jié)點(diǎn)B）
求解各個(gè)線電壓的節(jié)點(diǎn)電流VA和VB ，并計(jì)算它們之間的差值可得到差分總線電壓：
將EQ.8和9帶入EQ.10得到VAB的最終方程：
并且求解RB得到所需的最小偏置電阻值：
使用RB時(shí)，現(xiàn)在可通過以下方式計(jì)算收發(fā)器單元負(fù)載的最大數(shù)量：
注意，因?yàn)閷啥送ㄓ嵃踩珶o故障偏置電路的RB值是單端通訊安全故障偏置電路的RB值的兩倍，所以兩種應(yīng)用的nUL仍然是相同的。
計(jì)算示例
在以下示例中，我們分別計(jì)算了單端通訊無故障和兩端通訊無故障偏置電阻值， 考慮到了長線和短線通訊， 設(shè)定匹配阻抗為Z0 =120Ω。本例中使用ISL8487E總線收發(fā)器。該器件是1/8 UL收發(fā)器，最小電源電壓Vs = 4.75V。其最大接收器輸入閾值為200mV，假設(shè)噪聲容限為100mV，所以通訊空閑時(shí)要求線上電壓VAB = 300mV。
RS-485收發(fā)器選擇
出于以下兩個(gè)理由，選擇最好的收發(fā)器帶有足夠的抗噪聲和輸出驅(qū)動(dòng)能力對于健壯的線纜間通訊設(shè)計(jì)非常重要。
1） 在總線未被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，即使在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，也應(yīng)該有足夠的噪聲容限來防止接收器錯(cuò)誤觸發(fā)。
2） 在正常數(shù)據(jù)傳輸期間，發(fā)送端必須有足夠能力驅(qū)動(dòng)由通訊安全無故障偏置電阻增加的共模負(fù)載，并仍然為遠(yuǎn)端收發(fā)器提供具有足夠噪聲容限的信號。
例如，第一代ISL8487E器件具有VIT-max = 200mV的正端接收器輸入閾值。通過偏置僅增加50mV的小噪聲容限就會使VAB = 200mV + 50mV = 250mV。
將其與第二代收發(fā)器（如帶完全故障保護(hù)功能的ISL83082E）進(jìn)行比較。無論接收器輸入是浮動(dòng)（總線斷開）還是短路（總線短路或空閑），其接收器輸出都會變高。
完全故障保護(hù)功能是通過將最大輸入閾值偏移到稍微負(fù)值的電平來實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，電平為-50mV。為了提供相同的50mV噪聲容限，0V的VAB足以消除對外部通訊安全無故障偏置電路的需求。沒有偏置電路時(shí)，所有32個(gè)單元負(fù)載都可供總線收發(fā)器使用。
在較高電噪聲污染的現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（例如PROFIBUS）采用兩端通訊安全無故障偏置電路以保證總線空閑時(shí)電壓為0.6V或更高。如此高的VAB水平要求偏置電阻的阻值非常低，以至于它們的組合值下降至遠(yuǎn)低于375Ω最小共模電阻。發(fā)生這種情況時(shí)，nUL的計(jì)算結(jié)果將為負(fù)值。事實(shí)上，可以通過在EQ.12中設(shè)RB/2 = RCM來計(jì)算最大的VAB（當(dāng)nUL = 0時(shí) ）。
因此，支持高VAB電平的通訊需要性能更好的收發(fā)器，與標(biāo)準(zhǔn)兼容收發(fā)器相比，它們提供更高的差分和共模驅(qū)動(dòng)能力。
瑞薩電子ISL315x產(chǎn)品系列的高VOD收發(fā)器能夠滿足這些需求。這些器件能夠以VOD-MIN = 1.5V的最小差分輸出（見圖4）并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)120Ω端接電阻，并且可在-7V到+12V的共模電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)超過60個(gè)直流單元負(fù)載，最小VOD為2.4V（見圖5）。
圖4 差分輸出驅(qū)動(dòng)能力：ISL315x對比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器
圖5 共模輸出驅(qū)動(dòng)能力：ISL315x對比標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器
ISL315x卓越的輸出驅(qū)動(dòng)能力對于最遠(yuǎn)距離的總線收發(fā)器也具有增強(qiáng)的抗噪聲能力，與標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器相比可以實(shí)現(xiàn)兩倍的共模載荷。
表1列出了單端和兩端通訊安全無故障偏置網(wǎng)絡(luò)的電阻值，并將兩個(gè)可用的標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器ISL8487和ISL83082以及高VOD收發(fā)器ISL3152單元負(fù)載與噪聲容限進(jìn)行了比較。
表格1 標(biāo)準(zhǔn)和高VOD收發(fā)器的偏置電阻值，單位負(fù)載和與噪聲容限對比
具有200mV輸入閾值的收發(fā)器，例如ISL8487，僅允許最高100mV的空閑置總線噪聲容限。超過該范圍，更高的VAB要求偏置電阻值非常低，以至于收發(fā)器單元負(fù)載的結(jié)果數(shù)量會變?yōu)樨?fù)值。
帶有完整的通訊安全無故障的收發(fā)器，如ISL83082，由于其負(fù)輸入閾值為-50mV，因此只需要很低的VAB值。這就允許更高的偏置電阻值以及在總線上帶更多數(shù)量的收發(fā)器。但是，這兩種收發(fā)器類型只具有最多32個(gè)單元負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)能力，其一般標(biāo)準(zhǔn)的噪聲容限和較少數(shù)量的低收發(fā)器支持很難在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中的使用。
與之形成鮮明對比的是，具有高VOD的ISL3152在中等噪聲水平下可輕松驅(qū)動(dòng)兩倍以上的收發(fā)器數(shù)量，并可在600mV噪聲容限下仍支持多達(dá)100個(gè)收發(fā)器。為了實(shí)現(xiàn)更高的噪聲容限，增加電纜的特性阻抗是必要的。在PROFIBUS中Z0 =150Ω，因此RT和RB可采用更高的值以降低偏置網(wǎng)絡(luò)的共模負(fù)載。
結(jié)論
增加一個(gè)故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)可確保在總線空閑時(shí)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍可穩(wěn)定運(yùn)行。另外，在正常數(shù)據(jù)傳輸期間，由偏置電阻引起的共模負(fù)載必須由驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)所需的高噪聲容限需要低偏置電阻值，其共模負(fù)載會使標(biāo)準(zhǔn)RS-485收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)能力負(fù)擔(dān)過重。ISL315x系列大輸出電壓擺幅收發(fā)器可以解決這個(gè)問題，其能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)八個(gè)120Ω端接電阻和六十多個(gè)直流單元負(fù)載。結(jié)合本文提供的等式，這些收發(fā)器簡化并加快了故障保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
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