如何解決RS-485自動收發(fā)電路應(yīng)用異常的問題呢？

自動收發(fā)電路簡介及應(yīng)用簡析

自動收發(fā)電路原理

常見的RS-485自動收發(fā)電路如圖1所示，電路的邏輯真值表如表1所示。

• 當(dāng)TXD為低電平時，DE和RE為高電平，RS-485收發(fā)器處于發(fā)送狀態(tài)，AB處于低電平，即向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平信號；
• 當(dāng)TXD由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，DE和RE變?yōu)榈碗娖?，RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài)，此時AB引腳處于高阻狀態(tài)，R3將B引腳拉至GND，R4將A引腳拉至VCC，此時AB為高電平，即向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送高電平信號。

由于TXD為高電平時，RS-485收發(fā)器處于接收狀態(tài)，因此只需將TXD保持為高電平即可接收數(shù)據(jù)，即自動收發(fā)電路發(fā)送高電平時同時也是接收狀態(tài)。

圖1 RS-485自動收發(fā)示意圖

表1 自動收發(fā)電路示意圖

自動收發(fā)電路常見應(yīng)用問題及解決方案

01

通信速度較慢

RS-485自動收發(fā)通信速度較慢的原因主要有兩個：

1、若使用圖1所示的自動收發(fā)電路，三極管的關(guān)斷時間較長（主要是由于三極管關(guān)斷時的存儲時間較長），圖1中所示參數(shù)的三極管反相電路，開啟延時時間如圖2所示為10.2ns，關(guān)斷延時時間如圖3所示為1.14μs，因此若TXD發(fā)送低電平，DE&RE引腳較長時間后才會升至高電平，發(fā)送低電平的延時時間較長，圖1所示電路發(fā)送低電平信號延時時間如圖4所示為1.468μs。

圖2 開啟延時時間

圖3 關(guān)斷延時時間

圖4 發(fā)送低電平信號延時

2、自動收發(fā)電路發(fā)送高電平是通過外部上下拉電阻驅(qū)動的，上升沿較緩慢，波形如圖5所示，可以看出，發(fā)送高電平的上升沿較為緩慢，限制了高速通信的應(yīng)用。

圖5 發(fā)送高電平上升時間

02

高波特率通信時存在通訊異常風(fēng)險(xiǎn)

如圖6所示，TXD變?yōu)楦唠娖?，DE&RE引腳降為低電平，AB差分電壓緩慢上升，由于此時RS-485收發(fā)器已經(jīng)處于接收狀態(tài)，在AB差分電壓上升至RS-485收發(fā)器門限電平前RXD引腳會出現(xiàn)到一段時間的低電平信號，例如門限電平為-200mV~-50mV的收發(fā)器，AB差分電壓上升至-50mV前RS-485收發(fā)器均可輸出低電平，此低電平信號的時間與AB差分電壓上升時間和RS-485收發(fā)器的接收延時有關(guān)。

由于串口一般是將每個位分成16份，檢測中間的3份的電平信號從而確定此位的信號高低，因此若此低電平信號保持至每個位的信號檢測時，則會使MCU接收到一個起始位，從而接收到錯誤的數(shù)據(jù)，因此這個問題同樣限制了高速通信的應(yīng)用并且降低了通信的可靠性。

圖6 TXD發(fā)送高電平信號，RXD接收到一段低電平信號

針對此類問題，可選用ZLG致遠(yuǎn)電子的寬壓輸入貼片式隔離RS-485自動收發(fā)模塊SC4450S，該模塊通信速度高達(dá)500kbps，并且不會出現(xiàn)發(fā)送高電平時接收到一段時間低電平信號的現(xiàn)象，通信波形如圖8所示，極大地提高了通信可靠性。

圖8 SC4450S通信波形

03

外圍電路結(jié)電容影響收發(fā)器通訊穩(wěn)定性

在高靜電或浪涌環(huán)境下，需要增加外圍保護(hù)電路來保護(hù)RS-485收發(fā)器，若RS-485總線上所加保護(hù)電路的結(jié)電容較大，則會影響通信波形的質(zhì)量甚至導(dǎo)致通信異常，使用高結(jié)電容保護(hù)電路的通信波形如圖9所示，通信波形畸變嚴(yán)重，影響了通信質(zhì)量。

圖9 受高結(jié)電容影響的波形

針對此類問題，可選用ZLG致遠(yuǎn)電子SC4450S，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中提供的如所示的保護(hù)電路圖10，可全面提升RS-485總線的防護(hù)能力，EMC防護(hù)能力上可以達(dá)到靜電接觸±8kV，浪涌共模±4kV，差?！?kV，符合絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用需求。

圖10 低結(jié)電容保護(hù)電路

圖11 增加保護(hù)電路后通信波形

04

驅(qū)動能力較弱遠(yuǎn)距離通訊存在風(fēng)險(xiǎn)

自動收發(fā)電路發(fā)送高電平時總會有一段時間或全部時間是由上下拉電阻進(jìn)行驅(qū)動的，若要提高發(fā)送高電平信號的驅(qū)動能力，需要使用較小阻值的上下拉電阻，由于RS-485收發(fā)器本身驅(qū)動能力的限制，上下拉電阻也不能選擇太小，一般總線上所有節(jié)點(diǎn)的上下拉電阻并聯(lián)值不能小于375歐，因此自動收發(fā)電路發(fā)送高電平信號的驅(qū)動能力非常有限。RS-485總線增加終端電阻后，發(fā)送高電平的AB差分電壓是由終端電阻與上下拉電阻分壓所得，所以此時發(fā)送的高電平信號幅值很低，因此使用自動收發(fā)RS-485收發(fā)器時，盡量不要使用終端電阻。

由于自動收發(fā)電路驅(qū)動能力有限，其應(yīng)用的通信距離也受到了限制。使用長度為8m和200m的雙絞線的通信波形如圖12和圖13所示，通信距離8m時，通信波形良好且通信正常，通信距離為200m時已經(jīng)不能正常通信。因此在通信距離較長時，可在自動收發(fā)RS-485收發(fā)器外部加上下拉電阻和終端電阻來改善通信波形，增加后的通信波形如圖14所示，波形得到很大的改善，可以正常通信，但發(fā)送高電平的信號幅值仍舊較低。

圖12 通過8m雙絞線通信波形

圖13 通過200m雙絞線通信波形

圖14 外部加1k上下拉電阻且RS-485總線首尾加終端電阻

若對通信距離有較高要求，不推薦使用自動收發(fā)模塊，可選用ZLG致遠(yuǎn)電子具有收發(fā)控制功能的隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT或RSM3485ECHT，通信距離可達(dá)1200m。通信速度500kbp，通信距離1200m，總線首尾各加120歐終端電阻的通信波形如圖15所示，此時RSM485ECHT發(fā)送信號的幅值可達(dá)2.6V，極大地提高了通信的可靠性。

圖15 通信距離1200m，總線首尾加終端電阻，RSM485ECHT發(fā)送波形

總結(jié)

自動收發(fā)RS-485收發(fā)器可以節(jié)省MCU的 IO口，降低編寫程序的工作量，但常規(guī)的自動收發(fā)電路具有通信速度慢，發(fā)送高電平信號時RXD會接收到一段低電平信號等問題，因此若需使用自動收發(fā)，推薦使用自動收發(fā)隔離RS-485收發(fā)器SC4450S，通信的可靠性大大提高，配合SC4450S推薦的低結(jié)電容保護(hù)電路，可以承受更高的靜電和浪涌等級，提高產(chǎn)品的可靠性。在通信距離較長時，推薦使用增強(qiáng)型隔離RS-485收發(fā)器RSM485ECHT/RSM3485ECHT，通信距離可達(dá)1200m。

表2 產(chǎn)品推薦應(yīng)用情況說明