RS485接口電路設(shè)計攻略

本文主要討論如何設(shè)計RS485接口電路，以及簡單介紹接口電路設(shè)計通常涉及到幾個關(guān)鍵要素。

什么是RS485？

RS485是半雙工通信，半雙工通信指的是通道在一個時刻只能處于接收或者是發(fā)送。RS485的特點是支持多節(jié)點傳輸、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強，RS485可以連接多個485設(shè)備，信號的速率可達(dá)到10Mbps。通過AB兩線之間的壓差來判斷是邏輯電平1或者邏輯電平0，當(dāng)AB間的電壓差大于200mV時為高電平1，小于200mV時為邏輯電平0。一般會在首末兩端接120Ω電阻，其作用是進(jìn)行阻抗匹配，消除信號反射。

RS485硬件電路設(shè)計

RS485電路設(shè)計可以分為隔離型和非隔離型，下圖是非隔離型電路，B端接到GND下拉，A端通過上拉電阻為高電平，是為了保證A和B之間的壓差大于200mV。DE和RE引腳是發(fā)送和接收使能，RE為低時，為接收使能；DE為高時，是發(fā)送使能。應(yīng)用中一般是兩者連接在一起，通過IO口（RS485_EN）控制，因為芯片要么是處于接收，要么處于發(fā)送，因此在發(fā)送數(shù)據(jù)的前，給RS485_EN信號為高電平，接收數(shù)據(jù)就給低電平。

RS485自動收發(fā)電路硬件設(shè)計

自動收發(fā)電路相比較普通的485電路，區(qū)別在于多一個晶體管控制485的使能引腳。R9限流電阻一般是4.7K，R8上拉電阻一般也是4.7K，使能引腳在晶體管沒有導(dǎo)通時被上拉。

接收數(shù)據(jù)時：接收數(shù)據(jù)引腳是芯片的第一引腳也就是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽RS485_RX，在接收數(shù)據(jù)過程中，RS485_TX引腳保持高電平，VGS為高電平，NPN三極管Q1就導(dǎo)通，RE和DE相連的引腳通過晶體管下拉到GND，此時接收使能，處于接收狀態(tài)。

發(fā)送數(shù)據(jù)時：發(fā)送數(shù)據(jù)引腳是RS485_TX，應(yīng)該RS485_TX發(fā)送1，晶體管導(dǎo)通，RE和DE的電平為低，RS485收發(fā)芯片沒有打開，由于常態(tài)下485為高電平，此時數(shù)據(jù)就是高；當(dāng) RS485_TX發(fā)送0時，晶體管不導(dǎo)通，此時485收發(fā)芯片的發(fā)送使能為高，DI由于一直被下拉到GND，所以發(fā)出去的數(shù)據(jù)為0。這樣就實現(xiàn)了485的自動收發(fā)。

發(fā)送具體解析：

RS485_TX 發(fā)送1，VGS高電平，NPN三極管導(dǎo)通，使能引腳是低電平，發(fā)送失效，接收使能，處于接收狀態(tài)。由于SP3485芯片的AB引腳是高阻狀態(tài)，R4把A拉高，R5把B拉低，所以AB傳輸?shù)氖?。即RS485_TX發(fā)送1時，AB引腳發(fā)送1。

RS485接口防雷電路設(shè)計

接口防護電路

L1是共模電感，共模電感衰減共模噪聲，增強抗干擾能力，一般選擇120Ω/100MHz。C3電容的作用是為了隔開接口地和數(shù)字地，一般選擇1000pF。為了達(dá)到EMC防護要求，差模信號2kV，共模信號6kV，在接口處會預(yù)留上氣體放電管、熱敏電阻、TVS管組成防護電路。

RS485接口電路PCB的GND設(shè)計

虛線處的防護器件要盡量靠近接口，擺放緊湊整齊，先放防護器件再放濾波器件。

RS485接口電路設(shè)計通常涉及到幾個關(guān)鍵要素，包括信號傳輸、電氣隔離、噪聲抑制、保護措施以及電源和控制邏輯設(shè)計等。

關(guān)鍵要素

信號線選擇與布線

? 使用一對雙絞線作為差分信號線（A和B），通常選用屏蔽雙絞線電纜以減少電磁干擾。

? 保持A和B線長度盡可能相等，以減少信號延遲差異，保證信號的完整性。

共模電感和濾波

? 在信號線入口處加入共模電感L1，用于抑制共模干擾，推薦阻抗范圍為120Ω/100MHz ~ 2200Ω/100MHz。

? 可能還需要并聯(lián)去耦電容和TVS管等元件，進(jìn)一步提高抗干擾能力。

收發(fā)器芯片選擇

? 常見的收發(fā)器芯片有SP3485、MAX485等，它們將TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS485差分信號。

? 需要關(guān)注RE、DE以及RO等控制引腳的連接邏輯，通常RE和DE可以連接在一起通過單個控制信號控制發(fā)送/接收模式。

偏置和終端電阻

? A信號線可能需要上拉電阻（如10kΩ至4.7kΩ），以確保在空閑時的電壓狀態(tài)，B信號線可能需要下拉到GND。

? 在總線的兩端或適當(dāng)位置放置120Ω終端電阻，以減少信號反射和改善信號質(zhì)量。

防雷擊和浪涌保護

? 可以在信號線上添加TVS管和/或自恢復(fù)保險絲，用于過壓和浪涌保護，提高電路的魯棒性。

? 對于高風(fēng)險環(huán)境，考慮加入6kV以上的防雷擊保護電路設(shè)計。

EMC設(shè)計

? 保證良好的接地設(shè)計，特別是接口地的處理，有時單板地與外殼直接連接，通過1000pF電容耦合。

? 電路板布局時注意電源和信號線的分離，減少交叉干擾，增加濾波和退耦電容。

控制邏輯

? 根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計控制邏輯電路或使用MCU控制發(fā)送使能信號，實現(xiàn)自動或手動切換。

? 對于自動收發(fā)電路設(shè)計，可能需要更復(fù)雜的邏輯來自動管理發(fā)送和接收狀態(tài)，以適應(yīng)不同通信場景。

RS485接口設(shè)計不僅關(guān)注電氣特性，還需要綜合考慮EMC、可靠性、安全性等因素，確保在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定通信。