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RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)降低功耗問題

作者: 時(shí)間:2007-01-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

網(wǎng)絡(luò)的功率損耗

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/258992.htm

 RS -485網(wǎng)絡(luò)中許多數(shù)據(jù)采集或收集器屬于小型、手持式、電池供電設(shè)備,因此必須采取省電措施,以延長這些設(shè)備的電池壽命。靜態(tài)電流(IQ)是反映收發(fā)器功率消耗大小的一個(gè)重要指標(biāo),新型收發(fā)器的IQ已減小許多。表1把工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的雙極性收發(fā)器75176與各種、CMOS收發(fā)器的靜態(tài)電流進(jìn)行了對比。

 當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器外掛最小負(fù)載:一個(gè)RS-485收發(fā)器、兩個(gè)匹配電阻、兩個(gè)失效保護(hù)電阻時(shí),就可以測量其電源電流隨數(shù)據(jù)速率變化的關(guān)系曲線。圖2為MAX1483的電源電流ICC與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系,測試條件為:外接電阻560Ω/120Ω/560Ω(如圖1所示),VCC=5V,DE= /RE=VCC,電纜長度100英尺。從圖2可以看出:即使數(shù)據(jù)速率很低,電源電流也增大到將近37mA,這主要是由于引入了匹配電阻和失效保護(hù)電阻所致。下面將討論采用不同的匹配方式及失效保護(hù)措施在應(yīng)用中的重要性。


失效保護(hù)

 眾所周知,當(dāng)RS-485接收器輸入端電壓介于-200mV~+200mV時(shí),輸出處于不確定狀態(tài)。即:如果半雙工結(jié)構(gòu)RS-485收發(fā)器的差分輸入電壓為 0V、而線上又無其它驅(qū)動(dòng)器使能或由于連接不好導(dǎo)致輸出開路,則該接收器既可能輸出邏輯1也可能輸出0,而且?guī)茁氏嗤榱吮WC在上述錯(cuò)誤情況下輸出一個(gè)確定值,大多數(shù)RS-485收發(fā)器都需要外接失效保護(hù)電阻:其中在線A接上拉電阻,線B接一下拉電阻,如圖1所示。以往在大多數(shù)方案中,該失效保護(hù)電阻選取560Ω,不過為了減小功耗,有人將該失效保護(hù)電阻增大到將近1.1kΩ(當(dāng)只需要一端匹配時(shí))。部分設(shè)計(jì)工程師則采用1.1kΩ~2.2kΩ的電阻在電纜兩端進(jìn)行匹配,增大該電阻雖然減小了電流消耗,但卻降低了系統(tǒng)抗干擾能力。為了避免采用外部偏置電阻,RS-485收發(fā)器生產(chǎn)廠商首先在芯片內(nèi)部給接收器提供偏置電阻(上拉或下拉),不過它僅在檢測輸出開路時(shí)有效。對于終端匹配電纜,由于這類“偽”失效保護(hù)收發(fā)器內(nèi)置的上拉電阻比匹配電阻大幾個(gè)數(shù)量級,上拉效果很微弱,因此還是難以使接收器輸出一個(gè)確定值。通常這種內(nèi)置失效保護(hù)電阻的收發(fā)器僅對不需要終端匹配的電纜有效。因此其它一些廠商又試圖把接收器門限范圍變?yōu)?~-0.5V,但這違背了RS-485標(biāo)準(zhǔn)。MAXIM公司開發(fā)的MAX3080、MAX3471系列產(chǎn)品很好地解決了上述兩個(gè)問題。這類收發(fā)器通過定義一個(gè)更精確的接收器門限范圍:-50mV~+200mV,省去了偏置電阻,同時(shí)又不違背RS-485標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)接收器輸入0V電壓時(shí),它們保證輸出邏輯“高”電平。進(jìn)一步講,當(dāng)發(fā)生開路或短路情況時(shí),這些接收器能夠保證輸出一種確定值。

降低功率損耗的幾種措施

 如表1所示,不同的收發(fā)器汲取的靜態(tài)電流可能有很大差別,因此,省電設(shè)計(jì)首先應(yīng)該選擇器件,譬如MAX3471(當(dāng)發(fā)送關(guān)閉時(shí),僅消耗2.8μA電流,數(shù)據(jù)速率可達(dá)64kbps)。由于數(shù)據(jù)發(fā)送期間收發(fā)器的功耗增加,因此節(jié)省功耗的第二步就是通過軟件實(shí)現(xiàn)短碼發(fā)送數(shù)據(jù),使收發(fā)器長時(shí)間處于接收狀態(tài),使發(fā)送占空比最短。典型的串行發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。一個(gè)掛接單位負(fù)載(32個(gè)可尋址器件)的RS-485系統(tǒng)包含下列各位:5位地址位、8位數(shù)據(jù)位、起始位(全幀)、停止位(全幀)、奇偶校驗(yàn)位(可選擇)、循環(huán)碼校驗(yàn)位(CRC,可選擇),因此其發(fā)送數(shù)據(jù)的最短長度為20位。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,基于信息發(fā)送的安全性考慮,還必須發(fā)送附加信息,諸如數(shù)據(jù)長度、發(fā)送地址、方向等等,結(jié)果使得碼長可能增長到255個(gè)字節(jié)(即2040位)。

 通過增加碼長可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送安全性,但它卻是以占用總線時(shí)間和消耗更多功率為代價(jià)。當(dāng)以200kbps速率來傳送20位的數(shù)據(jù)時(shí),需要占用100(s的時(shí)間。如果采用MAX1483,以200kbps速率,每秒發(fā)送一次,則MAX1483消耗的平均電流為:

(100μs*×53mA +(1s-100μs)×20(A)/1s = 25.3μA.



 當(dāng)收發(fā)器處于空閑模式時(shí),必須關(guān)閉它的驅(qū)動(dòng)器以使功率消耗最低。表3以MAX1483為例給出了碼長與RS-485接口電流消耗之間的關(guān)系。當(dāng)然,對于采用定時(shí)循檢技術(shù)或在兩次發(fā)送期間有較長固定休眠時(shí)段的系統(tǒng),可以通過關(guān)閉收發(fā)器進(jìn)一步限制功率消耗。

  除了從軟件方面考慮之外,硬件電路也為降低功耗提供了很大的余地。圖3比較了當(dāng)收發(fā)器使能、在1000英尺長的電纜發(fā)送方波信號時(shí),各種不同的器件消耗電流的大小。其中75ALS176和MAX1483在總線每一端均采用標(biāo)準(zhǔn)的560Ω/120Ω/560Ω電阻匹配網(wǎng)絡(luò),而“失效保護(hù)”器件MAX3080 和MAX3471在總線每端僅采用了一個(gè)120Ω的匹配電阻。由圖可見,消耗的電源電流變化范圍很大,選擇具有失效保護(hù)功能的低功耗器件,可將功耗降低許多。

 終端電阻可以消除因阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射干擾,不過其代價(jià)是消耗功率,為降低功耗,在匹配技巧方面可采取以下措施:

1)、無終端電阻

  減小功耗的第一種辦法就是取消終端匹配電阻。不過這種方案只適合短距離、低速率傳輸,保證在數(shù)據(jù)信號達(dá)到接收器之前反射信號消失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),如果信號的上升時(shí)間至少比信號在電纜通道單方向傳輸延遲時(shí)間長3倍,則可以采用不加終端電阻的方法。利用該準(zhǔn)則,按照下列步驟,可以計(jì)算出不加終端匹配電阻時(shí),電纜的最大長度。

第一步:首先查找到信號在電纜中傳輸速率(通常由電纜廠商提供),該參數(shù)以光速(真空中,c=3×108)的百分比表示。對于標(biāo)準(zhǔn)的絕緣型PVC電纜(內(nèi)部為24號AWG雙絞線)其典型速率為8英寸/ns。

第二步:對于RS-485收發(fā)器,從其產(chǎn)品資料查找出最小的上升時(shí)間(tr min)。例如,MAX3471的上升時(shí)間為750ns。

第三步:將最小上升時(shí)間除以4。對于MAX3471,有:tr min/4=750/4=187.5ns。

第四步:計(jì)算不需要采用匹配電阻時(shí),能可靠傳輸信號的電纜最大長度:187.5ns/8英寸/ns=125英尺

 因此,MAX3471在125英尺無電阻匹配的電纜中以64kbps速率收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),可以保持良好的傳輸性能。圖4說明了當(dāng)用100英尺長無電阻匹配電纜替換1000英尺長具有兩個(gè)120Ω終端匹配電阻的電纜后,MAX3471的功耗大大減小。

2)、肖特基二極管“匹配”

 當(dāng)受到功耗限制時(shí),肖特基二極管提供了另外一種終端連接方法。與前面介紹的方法不同的是,它并不打算與電纜線匹配,而是簡單地把反射信號引起的過壓或欠壓信號進(jìn)行鉗位。其結(jié)果是,總線或接收器輸入端電壓信號被限制在VCC+VFD(二極管正向?qū)妷海┗騁ND-VFD范圍內(nèi)。由于肖特基二極管僅在電壓過沖時(shí)起作用,因此它們消耗很少一點(diǎn)能量。相反,采用電阻匹配時(shí)(無論加不加失效保護(hù)電阻)都一直在消耗電流。圖5為利用肖特基二極管消除反射的連接方式。雖然該終端連接法不具有失效保護(hù)功能,但如果選用了如MAX3080、MAX3471這類收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

 在眾多類型的二極管中,肖特基二極管特性最接近理想二極管,但是,肖特基二基管“匹配”法并不能消除RS-485/422系統(tǒng)中所有的反射信號。因?yàn)橐坏┓瓷湫盘枩p弱到低于二極管正向?qū)妷?,其能量就不再受終端二極管的影響,且會一直在電纜中存在,直到其能量被電纜消耗盡為止。采用肖特基二極管終端連接法的另一個(gè)缺陷是成本問題。由于每根終端線需要兩個(gè)二極管,而RS-485/422總線采用差動(dòng)方式,因此需要的二極管數(shù)目還要再加倍,使系統(tǒng)成本提高。

結(jié)語

 在高速、長距離通訊的RS-485系統(tǒng)中,由于需要終端匹配電阻,因此很難實(shí)現(xiàn)低功耗。如果采用具有“失效保護(hù)”功能的收發(fā)器,可節(jié)省功耗;另外依靠軟件對數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)優(yōu)化,讓發(fā)送器在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后進(jìn)入關(guān)閉模式或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器能進(jìn)一步減小功率消耗。

作者M(jìn)AXIM公司 Uwe Brockelmann, Ted Salazar


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