用于電能計(jì)量應(yīng)用的RS-485故障安全和信號(hào)丟失檢測(cè)器

作者：Richard Anslow 時(shí)間：2017-05-12 來(lái)源：電子產(chǎn)品世界

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

　　簡(jiǎn)介

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201705/359129.htm

　　電能計(jì)量通信端口常常使用RS-485接口，可能受到大共模噪聲、地電位差和高壓瞬變的影響。具體說(shuō)來(lái)，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)(中央數(shù)據(jù)收集點(diǎn))與電表從節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)電纜，這些危險(xiǎn)因素可能會(huì)破壞數(shù)據(jù)通信，甚至引起RS-485接口永久損壞。

　　圖1顯示了三相電能計(jì)量從節(jié)點(diǎn)中的可能隔離域。隔離柵可以位于模擬前端(AFE)處或RS-485通信端口處。將三相AFE配合ADE7912或ADE7913使用，以隔離通信接口并測(cè)量A相、B相和C相上的電壓和電流。RS-485收發(fā)器將三相從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)隔離開來(lái)，并允許主節(jié)點(diǎn)和電表從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行可靠的控制和數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)論隔離柵放在何處，ADI公司的iCoupler?技術(shù)都能在有系統(tǒng)接地差異、共模噪聲和電壓瞬變的情況下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

　　采用RS-485作為物理層的更高級(jí)電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 62052-11和IEC 62053-21(有功電能1類和2類交流靜態(tài)瓦時(shí)電表)，針對(duì)RS-485接收器在空閑總線(無(wú)有效信號(hào))上工作的情況，規(guī)定了一個(gè)明確的輸出狀態(tài)。ADM2682E iCoupler信號(hào)和isoPower?隔離式RS-485收發(fā)器具備真正的故障安全特性，針對(duì)總線空閑、開路和短路狀況會(huì)提供邏輯高電平接收器輸出。若使用總線信號(hào)丟失(LOS)檢測(cè)器電路，可以給RS-485節(jié)點(diǎn)增加其他系統(tǒng)診斷功能。

　　圖1.位于隔離式AFE處或RS-485通信端口處的三相電能計(jì)量從節(jié)點(diǎn)的可能隔離域

　　故障安全和遲滯

　　總線空閑、開路和短路故障安全

　　ADM2682E /ADM2687E具備真正的故障安全特性，針對(duì)總線空閑、開路和短路狀況接收器會(huì)輸出邏輯高電平。

　　當(dāng)RS-485 A和B引腳斷開且沒(méi)有端接電阻或其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，開路故障安全特性會(huì)確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為高電平。ADI公司的所有RS-485收發(fā)器都有此特性。在ADM2682E A引腳上有一個(gè)內(nèi)部上拉電阻。如果A引腳斷開且浮空，則該上拉電阻會(huì)將A引腳上拉至?30 mV以上。在ADM2682E B引腳上也有一個(gè)下拉電阻。如果B引腳斷開且浮空，則該下拉電阻會(huì)將B引腳下拉至-200 mV以下。這種情況下，A引腳電壓大于B引腳電壓，產(chǎn)生一個(gè)總線差分高電壓，接收器輸出為恒定邏輯高電平。

　　當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)總線到相反電平時(shí)，或當(dāng)總線線路短接在一起時(shí)，短路故障安全特性會(huì)確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為邏輯高電平。

　　總線空閑故障安全特性更為復(fù)雜;當(dāng)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)RS-485總線上的信號(hào)時(shí)，該特性會(huì)使ADM2682E或ADM2687E接收器輸出邏輯高電平。第一種方法是使用故障安全RS-485收發(fā)器，其接收器偏移閾值為?30 mV(舉例而言)，而不是TIA/EIA-845-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)的200 mV。具有總線空閑故障安全特性的ADI RS-485收發(fā)器也有短路故障安全特性。第二種方法是使用總線上的上拉和下拉電阻，確保一個(gè)最小差分電壓。這種方法也稱為有源端接法。根據(jù)電源電壓和總線負(fù)載，計(jì)算所需的電阻值，包括端接電阻和接收器阻抗。

　　圖2.ADM2682E或ADM2687E接收器故障安全特性

　　遲滯

　　TIA/EIA-845-A RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議，RS-485收發(fā)器應(yīng)采取措施防止接收器發(fā)生不穩(wěn)定或振蕩狀況。接收器遲滯有助于增強(qiáng)其穩(wěn)定性，并提供一種抗擾手段，這對(duì)長(zhǎng)電纜布線和惡劣現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)境特別重要。

　　ADM2682E /ADM2687E數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定接收器典型遲滯(ΔVHYS)(此處的“hys”大寫)為15 mV，接收器差分輸入閾值電壓范圍(VTH)為?200 mV至?30 mV。VTH是接收器輸出電壓(VRO)從高電平變?yōu)榈碗娖交驈牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖降拈撝?。ΔVTH本質(zhì)上是高電平到低電平的VTH(圖3左側(cè))與低電平到高電平的VTH(圖3右側(cè))之差。

　　接收器遲滯ΔVTH幫助確保接收器差分輸入閾值電壓(VTH)周圍的噪聲不會(huì)導(dǎo)致接收器輸出發(fā)生雜散性邏輯高電平或邏輯低電平轉(zhuǎn)換。

　　圖3.ADM2682E或ADM2687E接收器遲滯

　　RS-485信號(hào)丟失(LOS)檢測(cè)器

　　非隔離式實(shí)現(xiàn)方案

　　如果一個(gè)連接器斷開與電表從節(jié)點(diǎn)的連接，或者一條RS-485電纜錯(cuò)誤斷開，LOS檢測(cè)器就會(huì)提醒系統(tǒng)微控制器。圖1顯示系統(tǒng)隔離柵既可放在AFE處，也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵放在AFE處，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)非隔離式LOS檢測(cè)器電路。

　　圖4顯示了一個(gè)非隔離式RS-485 LOS檢測(cè)器電路。LOS檢測(cè)器電路由第二個(gè)ADM3078E收發(fā)器構(gòu)成，其用于實(shí)時(shí)監(jiān)控總線狀態(tài)。LOS檢測(cè)器電路還包含一個(gè)簡(jiǎn)單的NC7S08 AND門，其連接到兩個(gè)ADM3078E器件的RO引腳。NC7S08 AND門的輸出隨后由電阻R和電容C進(jìn)行低通濾波。該低通濾波器的輸出(即LOS邏輯信號(hào))通過(guò)導(dǎo)線直連到系統(tǒng)微控制器。

　　在正常工作期間，ADM3078E接收器可以檢測(cè)到來(lái)自RS-485總線的有效高電平輸入，并通過(guò)RO接收器輸出端輸出一個(gè)邏輯高電平信號(hào)。針對(duì)總線、開路、短路和空閑狀況，ADM3078E接收器故障安全特性也會(huì)輸出一個(gè)邏輯高電平信號(hào)。當(dāng)RS-485總線上長(zhǎng)時(shí)間無(wú)信號(hào)時(shí)，LOS檢測(cè)器電路會(huì)明確提醒系統(tǒng)微控制器。

　　圖4所示的LOS電路包括兩路ADM3078E接收器輸出，即RO和，其連接到NC7S08 AND門。當(dāng)RO和的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，AND門輸出為邏輯高電平，表示總線電壓為0 V(RS-485總線上無(wú)信號(hào))。

　　兩路ADM3078E接收器輸出的傳播延遲之差可能在NC7S08 AND門輸出上引起雜散毛刺。ADM3078E數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示，接收器傳播延遲最大值為75 ns。在典型實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，接收器傳播延遲可能是40 ns。典型實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的RO輸出和輸出之間可能有35 ns的傳播延遲差。此測(cè)量設(shè)置利用一個(gè)由27 ?電阻和220 pF電容形成的低通濾波器來(lái)補(bǔ)償35 ns的典型差值。

　　添加一個(gè)ADM3078E節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)控總線LOS，則會(huì)導(dǎo)致RS-485網(wǎng)絡(luò)可支持的有效節(jié)點(diǎn)數(shù)減少。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮正?？偩€流量下的總線空閑時(shí)間，并在微控制器LOS故障提醒軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)序延遲予以解決。該延遲用于防止總線空閑狀況觸發(fā)系統(tǒng)LOS故障誤報(bào)。