如何簡化工業(yè)PC接口

工業(yè)PC設計領域的小型化和更多通信功能趨勢推動了現(xiàn)代總線收發(fā)器的發(fā)展。新型收發(fā)器因為集成度高、同時支持RS-232和 RS-485標準以及配置特性豐富，所以比傳統(tǒng)設計更受歡迎。

本文討論了業(yè)內(nèi)最常用的RS-232和RS-485接口標準，介紹了雙協(xié)議收發(fā)器的功能和特性，并探討了包括工業(yè)PC在內(nèi)的多協(xié)議應用實例。

RS-232標準

RS-232是一種僅針對點對點通信而定義的單端全雙工接口。這意味著一個驅動器連接到一個接收器，反過來也一樣，一個接收器連接到一個驅動器。這種接口需要驅動器和接收器接地之間具有地線連接，以便為信號發(fā)送和接收提供共同參考(圖1)。

圖1：單端點對點數(shù)據(jù)鏈路

RS-232試圖通過使用高信號振幅來獲得抗噪性。該標準使用反邏輯，并規(guī)定邏輯0為+3V至+15V總線電壓，邏輯1為 -3V至-15V總線電壓(圖2)。+3V 至 -3V范圍的邏輯狀態(tài)未定。

圖2：RS-232信號電平(A)，從邏輯轉換為總線信號(B)，帶有集成電荷泵的RS-232收發(fā)器(C)

目前的大多數(shù)RS-232設計使用一個或兩個數(shù)據(jù)通道，每個通道包含一個發(fā)送和接收信號對。提供兩個通道的收發(fā)器能用一個通道發(fā)送數(shù)據(jù)，用另一個通道進行信號交換控制。單通道器件必須求助于軟件流控制。

RS-232標準規(guī)定了最大信號速率(19.8kbps)和最大壓擺率(30V/µs)。但現(xiàn)代收發(fā)器能夠通過減小總線電壓振幅，支持高達1Mbps的數(shù)據(jù)速率而不違反壓擺率規(guī)范。盡管沒有具體規(guī)定，但最大電纜長度一般限于30米左右。

RS-485標準

RS-485標準出現(xiàn)于上世紀80年代早期，在嘈雜環(huán)境中和遠距離實現(xiàn)穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸方面，一直保持著顯著更優(yōu)的標準的地位。該標準在兩條導線(A和B)的信號對上使用差分信號傳輸技術。按照該標準的規(guī)定，在施加54差分載荷時，兩條導線之間的差分總線電壓擺幅為最小1.5V。

圖3：包含菊鏈總線節(jié)點和端接線纜末端的典型RS-485網(wǎng)絡

RS-485支持通過多點總線拓撲連網(wǎng)多達32個單位載荷?？偩€節(jié)點通過雙絞線電纜以菊鏈方式(圖3)相互連接。推薦的120電纜特性阻抗要求在電纜兩端都有終端電阻，其阻值應與電纜阻抗匹配。

由于接收器輸入本質(zhì)上都參考地，所以驅動器與接收器之間無需單獨的地線連接。這是在接收器輸入電壓不超過-7V 至 +12V的規(guī)定共模電壓范圍的情況下。

RS-485支持最長4000英尺(1200米)電纜長度和最大10Mbps數(shù)據(jù)速率，但并非同時支持。對于給定的數(shù)據(jù)速率，最大適用電纜長度遵循保守的電纜長度相對數(shù)據(jù)速率關系特征，如圖4所示。

圖4：RS-485電纜長度相對數(shù)據(jù)速率關系特征

RS-485支持多點拓撲，其中每個總線節(jié)點均可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。多點總線分為半雙工和全雙工兩個類型(圖5)。半雙工總線使用兩條跨線，其中一個節(jié)點可發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)。全雙工總線使用兩個信號對(四條導線)。一個信號對將主節(jié)點的驅動器連接到多個從節(jié)點的接收器，另一信號對將從節(jié)點的驅動器連接到主節(jié)點的接收器。該拓撲允許主節(jié)點向所有從節(jié)點廣播數(shù)據(jù)，或尋址一個特定從節(jié)點，同時接收來自從節(jié)點的數(shù)據(jù)(一次一個從節(jié)點)。全雙工總線可增加數(shù)據(jù)吞吐量，但由于接線更麻煩，所以要比半雙工總線貴許多。

圖5：半雙工和全雙工多點總線拓撲

雙協(xié)議收發(fā)器

現(xiàn)代收發(fā)器能夠支持新工業(yè)PC的設計和RS-232至RS-485/RS-422接口轉換器的設計?，F(xiàn)有RS-232設備(如傳統(tǒng)PC、儀表設備和工業(yè)機器)需要上述轉換器，以便連接至單一網(wǎng)絡或進行遠距離連接。

圖6顯示了一種雙協(xié)議收發(fā)器的電路圖。該器件包含兩個RS-232發(fā)送和接收通道以及一個全雙工RS-485收發(fā)器。請注意該收發(fā)器的直通式引腳分配，其一側是總線引腳，另一側是邏輯引腳。這允許輕松布置通向本地控制器的信號跡線，與傳統(tǒng)收發(fā)器相比有很大的優(yōu)勢(如圖3所示)，因為傳統(tǒng)收發(fā)器的引腳分配要求從總線到控制器側的信號跡線交叉，反之亦然。

圖6：包含一個RS-485和兩個RS-232收發(fā)器的雙協(xié)議收發(fā)器

當獨立操作總線系統(tǒng)時，每個RS-232端口可支持最大400kbps數(shù)據(jù)速率，且不會超過規(guī)定最大壓擺率。

RS-485允許通過/SLOW485引腳選擇20Mbps高速模式和115kbps壓擺率限制模式。在高速模式下，驅動器輸出無壓擺率限制。這種模式僅應在傳輸距離短于100英尺(30米)時使用。另外，高速模式還需要在電纜兩端使用終端電阻器，且電阻器的阻值必須匹配120Ω(RS-485電纜)或100Ω(五類線)的電纜特性阻抗。

現(xiàn)代收發(fā)器必須能在低供電電壓下高效工作，這是通過優(yōu)化電荷泵設計實現(xiàn)的。圖6中的電荷泵可建立用于RS-232驅動器的雙極電源(V+, V-)，只需要四個小的0.1μF電容器。其中兩個電容器用于實際電荷泵操作，將初始3.3V 電壓(Vcc)轉換為+5V ( V+ )和 -5.3V(V-)。另兩個電容器用于緩沖V+ 和 V-，以確保開關操作期間為RS-232驅動器提供充足的供電電流。

總收發(fā)器供電電流已經(jīng)小于4mA，通過使整個芯片進入關斷模式還可以節(jié)省更多電能。這是通過將/SHDN引腳拉到邏輯低態(tài)而實現(xiàn)的。在關斷模式下，電荷泵停止工作，其余供電電流僅由流入邏輯輸入端的漏電流組成。因此，總漏電流取決于器件配置，但可低至40μA。

當通過將/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)重新啟用器件時，電荷泵最多需要25微秒來達到穩(wěn)定狀態(tài)。在此期間不能進行RS-232通信。由于電荷泵不為RS-485收發(fā)器供電，RS-485通信可在/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)2微秒后開始。這個時間遠遠快于在所有工作模式下都需要使用電荷泵的傳統(tǒng)收發(fā)器。

多協(xié)議應用

將一個RS-485和兩個RS-232收發(fā)器集成為一個IC，可極大提高工業(yè)PC接口設計的多用途性，因為這樣本地控制器可獨立驅動許多總線系統(tǒng)或充當接口轉換器，如圖7所示。當用作RS-232至RS-485轉換器時，通道1和/或通道2的RS-232信號可轉換為邏輯電平，然后通過RS-485總線發(fā)送。通過使用地址編碼，RS-485鏈路兩端的控制器能夠區(qū)分兩個RS-232數(shù)據(jù)流。

圖7：通過RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個RS-232設備

為通過遠距離點對點鏈路延長兩個RS-232接口之間的數(shù)據(jù)鏈路，雙協(xié)議收發(fā)器配置為獨立的RS-232至RS-485轉換器。這種情況下需要兩個轉換器(電纜兩端各一個)，以便將RS-485總線信號轉換為RS-232數(shù)據(jù)，反之亦然。該配置比較簡單，因為針對驅動器和接收器的啟用輸入可通過固定導線連接至其各自的電壓軌，使收發(fā)器持續(xù)處于活躍狀態(tài)(圖8A)。

圖8：通過RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個RS-232設備

在全雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個RS-232設備需要對從節(jié)點中的轉換器進行輕微的配置變更。主節(jié)點(PC)中的驅動器和接收器可一直保持活躍狀態(tài)，從節(jié)點中的接收器也同樣可以。但必須嚴密控制從節(jié)點中的接收器，以防有兩個或更多從節(jié)點同時訪問總線。為此，需要使用第二個RS-232通道的驅動器利用RTS流控制信號來啟用和禁用RS-485驅動器(圖8B)。請注意，在轉換器內(nèi)部 ，RTS必須返回到控制器的CTS輸入。這稱為零調(diào)制解調(diào)器(null-modem)配置。

圖9：通過RS-232至RS-485轉換器連網(wǎng)多個RS-232設備

在半雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個RS-232設備需要圖9A所示的配置。在此配置中，RTS信號負責控制驅動器和接收器的啟用功能。所有節(jié)點(包括主節(jié)點和從節(jié)點)都需要此配置，因為半雙工總線一次只能沿一個方向發(fā)送數(shù)據(jù)。

在有些設備中，RTS和CTS控制信號可與待發(fā)送數(shù)據(jù)存在最大10毫秒的不同步。在此情況下，最好使啟用信號為數(shù)據(jù)驅動式信號。這是通過在驅動器輸入(DI)和啟用引腳(DE485和 /RE485)之間實施逆變器功能而實現(xiàn)的。這會在DI = 邏輯低態(tài)時使收發(fā)器處于發(fā)送模式，在DI = 邏輯高態(tài)時處于接收模式。在接收模式下，驅動器輸出具有高阻抗，低阻抗終端電阻器可將總線電壓減小至0V。由于RS-485接收器是完全防故障(full-failsafe)的器件，總線上的所有雙協(xié)議收發(fā)器會在接收器輸入端(RO)指示零總線電壓為邏輯高態(tài)。因此，在低態(tài)有效和高阻抗之間切換驅動器輸出，仍然會在另一個接收器的輸出端產(chǎn)生從低到高的轉換。

結論

由于具有高集成度、同時支持RS-232和RS-485協(xié)議、可編程數(shù)據(jù)速率和省電配置等特性，現(xiàn)代雙協(xié)議收發(fā)器可簡化工業(yè)接口的設計。為支持系統(tǒng)工程師的工業(yè)網(wǎng)絡設計，Intersil提供了廣泛的固定和可編程、單通道和雙通道、多協(xié)議收發(fā)器。