工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）意味著需要連接更多的傳感器，包括傳感器和執(zhí)行器。雖然無線鏈路似乎是連接的簡單解決方案，但它們受到安全問題，更高的初始成本以及工業(yè)環(huán)境中RF傳播的不確定性的影響。

相反，許多應(yīng)用程序使用傳統(tǒng)方法可以提供更好的服務(wù)。但基于RS-232，RS-422，RS-423和RS-485協(xié)議的收發(fā)器大為改進。這些可以幫助設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)可靠性，信號完整性和成本效益。然后，通過這些有線鏈路收集的匯總數(shù)據(jù)可以通過強大的有線或無線鏈路連接到后端網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。

然而，對這些建立的新要求并且成功的有線標(biāo)準(zhǔn)超出了他們的原始要求。更高的通道數(shù)和密度，以及更快的數(shù)據(jù)速率，使設(shè)計人員難以設(shè)計出滿足ESD（靜電放電），低電壓操作和容錯要求的新要求的令人滿意的解決方案。

什么是RS -232及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)？

推薦標(biāo)準(zhǔn)232（RS-232）由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1962年發(fā)布。其最初的作用是將計算機連接到機電電傳打字機（通常稱為“電傳”） “機器”，調(diào)制解調(diào)器和打印機，但很快就采用了許多其他接口應(yīng)用程序。

RS-232是一個相對簡單的標(biāo)準(zhǔn)，僅限于單點的點對點串行鏈路發(fā)件人和收件人。它可用于單工，半雙工和全雙工鏈路，并且限制為19，200波特（不一定與比特/秒相同，但通常是這樣）。最廣泛使用的版本RS-232D指定使用±25伏特來發(fā)信號通知1和0。請注意，標(biāo)準(zhǔn)沒有指定數(shù)據(jù)本身的編碼。它只調(diào)出信號電平，轉(zhuǎn)換速率，啟動/停止幀以及連接的基本握手。

為滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)需求，標(biāo)準(zhǔn)擴展到RS-422，RS-423 ，最后是RS-485，增加了多點功能，更高的速度和更長的距離（表1）。

規(guī)格RS-232 RS-423 RS-422 RS-485工作模式單端單 - 結(jié)束一條線路上的驅(qū)動器和接收器的差分差分總數(shù)（一個驅(qū)動器一次激活RS-485網(wǎng)絡(luò)）1驅(qū)動程序

1接收器1驅(qū)動程序

10接收器1驅(qū)動程序

10接收器32驅(qū)動器

32接收器最大電纜長度50英尺4000英尺4000英尺4000英尺最大數(shù)據(jù)速率（40英尺 - 4000英尺。用于RS-422/RS-485），波特/秒20 kb/s 100 kb/s 100 kb/s至10 Mb/s 100 kb/s至10 Mb/s最大驅(qū)動器輸出電壓±25 V±6 V -0.25 V至+6 V -7 V至+12 V驅(qū)動器輸出信號電平

（加載最小值）加載±5 V至±15 V±3.6 V±2.0 V±1.5 V驅(qū)動器輸出信號電平

（無負載最大值）空載±25 V±6 V±6 V±6 V驅(qū)動器負載阻抗（歐姆）3kΩ至7kΩ≥450Ω100Ω54Ω最大值。高Z狀態(tài)下的驅(qū)動器電流開啟N/A N/A N/A±100μA最大值。驅(qū)動器電流在高Z狀態(tài)下斷電±6 mA @±2 V±100μA±100μA±100μA壓擺率（最大值）30 V/μS可調(diào)節(jié)N/AN/A接收器輸入電壓范圍±15 V ±12 V -10 V至+10 V -7 V至+12 V接收器輸入靈敏度±3 V±200 mV±200 mV±200 mV接收器輸入電阻（歐姆），

（1個RS-485標(biāo)準(zhǔn)負載） ）3kΩ至7kΩ4kΩ（最小值）4kΩ（最小值）≥12kΩ

表1：各種RS-xxx標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵電氣規(guī)范和性能摘要是了解其特性的起點。完整標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了所有操作參數(shù)的測試條件和電路。 （數(shù)據(jù)來源：改編自RE Smith公司。）

各種RS標(biāo)準(zhǔn)的許多用戶選擇不完全遵循標(biāo)準(zhǔn)，而是使用經(jīng)過修改的專有變體以提高速度，或獲得其他一些標(biāo)準(zhǔn)屬性。盡管標(biāo)稱標(biāo)簽相同，但這些變體可能與其他接口不完全兼容。另請注意，各種RS標(biāo)準(zhǔn)未指定或強制使用連接器類型。也就是說，最常推薦的連接器是帶有9，15或25個引腳的D形連接器（圖1）。

圖1：盡管RS-xxx標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定連接器類型，但建議使用多針D型連接器，并且經(jīng)常（但不是唯一地）使用。所示為9針版本，但也使用15針和25針版本。 （圖片來源：維基百科）

隨著RS-xxx的普及和普及，設(shè)計人員需要更高的通道數(shù)和密度，以及更快的數(shù)據(jù)速率。他們還面臨著設(shè)計令人滿意的解決方案的挑戰(zhàn)，這些解決方案符合新的要求，包括故障安全（容錯）要求，瞬態(tài)ESD（靜電放電）保護和低電壓操作。 RS-xxx收發(fā)器有很多種選擇，除了基本的性能規(guī)格外，還有不同的功能組合。

故障安全與故障

近年來，RS-485標(biāo)準(zhǔn)在RS-xxx組中占據(jù)主導(dǎo)地位，因為它具有更高的速度，更低的電壓和多個發(fā)送器/接收器功能（圖2）。 RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)差分輸入電壓≥+ 200 mV時，接收器應(yīng)置為邏輯高電平輸出，當(dāng)≤200mV時，接收器應(yīng)處于邏輯低電平。在這兩個閾值電平之間，接收器輸出是未定義的并且可以隨機地呈現(xiàn)任一狀態(tài)。

圖2：RS-485已成為最常用的標(biāo)準(zhǔn)，因為它支持單總線上的多個源/接收器，低電壓操作，以及更高的數(shù)據(jù)速率?？偩€需要一個具有線路特征阻抗的終端電阻，以防止高速信號反射。 （圖像來源：德州儀器公司）

有三個因素可能導(dǎo)致有效輸入信號丟失和未定義狀態(tài)。線路中斷或收發(fā)器與公共總線無意斷開，差分線對彼此連接的低阻短路，或者當(dāng)總線“空閑”時，意味著沒有收發(fā)器在主動模式。這最后一個條件不是傳統(tǒng)意義上的錯誤。相反，這是一個非常短期的情況，當(dāng)所有線路驅(qū)動器暫時不活動以避免總線爭用時，因為控制從一個驅(qū)動器傳遞到另一個驅(qū)動器。

在出現(xiàn)諸如開路或類似硬故障的情況下短路時，必須確保浮動（斷開）連接不會被感應(yīng)電壓（開路）損壞，或者過電流不會造成損壞（短路）。這些問題不再是RS-485收發(fā)器的主要問題，因為保護在其歷史上相對較早的時候被設(shè)計到收發(fā)器IC中。然而，總線空閑情況仍然存在，因為它是RS-485操作的固有特性。

總線空閑狀態(tài)的解決方案是將故障保護偏置電阻（RFS）添加到總線（圖3） ）。由于偏置電阻和線路終端電阻RT1和RT2之間的分壓（這些已經(jīng)到位以終止具有其特征阻抗（通常為120Ω）的總線），這些可確保接收器輸出被強制進入定義狀態(tài)。

圖3：通過添加故障保護電阻RFS，設(shè)計確保接收器輸出在“總線空閑”模式下處于定義狀態(tài)。電阻值由收發(fā)器負載數(shù)量和電源容差的電路分析確定。 （來源：德州儀器）

顯而易見的問題是：RFS的適當(dāng)價值是什么？答案是必須通過計算確定，具體取決于收發(fā)器的數(shù)量和電源的最小電壓。

新設(shè)計的替代方案是選擇RS-485收發(fā)器，例如Texas Instruments SN65HVD08DR。這包括故障保護偏置電阻，以提供接收器輸入閾值的內(nèi)部偏置，用于開路，總線空閑或短路故障保護條件。這消除了計算問題和外部電阻。但是，在一些正在升級的傳統(tǒng)應(yīng)用中，混合使用和不具備這些電阻的收發(fā)器需要進行一些仔細的建模和分析，以及使用沒有故障保護偏置的收發(fā)器，例如德州儀器SN75176BDR（圖4）。

圖4：雖然有些收發(fā)器包含完整的故障保護偏置電阻，但SN75176BDR卻沒有，因為有些應(yīng)用需要允許用戶在外部調(diào)整大小并提供這些組件。 （來源：德州儀器）

保護至關(guān)重要

在工業(yè)環(huán)境中，由于電機啟動和其他類似事件引起的瞬態(tài)很常見。保護RS-485接口免受這些瞬變影響的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用鉗位二極管阻止它們到達收發(fā)器IC（圖5）。使用這些二極管是有效的，但它們的電容可能會使未受保護的器件的接地噪聲容限降低幾伏。

圖5：苛刻的電氣許多工業(yè)環(huán)境的環(huán)境要求瞬態(tài)抑制。這可以通過外部二極管和瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）提供，如SN75LBC176DR收發(fā)器左側(cè)所示。 （來源：德州儀器）

然而，對于成本和空間壓力下的設(shè)計人員而言，鉗位二極管會增加設(shè)計BOM并需要電路板空間，同時還可能影響整體性能規(guī)格。德州儀器（TI）的SN75LBC184DR RS-485收發(fā)器通過包含可消除性能缺陷的二極管來幫助避免這些問題（圖6）。這些二極管和其他設(shè)計內(nèi)含物可以防止脈沖，峰值功率高達400 W，符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，加上保護至±15 kV至IEC-61000-4-2氣隙，±8 kV接觸IEC -61000-4-2，和人體模型（HBM）要求的±15 kV。

圖6：供應(yīng)商越來越多地采用瞬態(tài)抑制在收發(fā)器IC內(nèi)，例如SN75LBC184DR。此實現(xiàn)不僅可以修整BOM，還可以使供應(yīng)商滿足許多嚴格的瞬態(tài)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 （圖像來源：德州儀器公司）

在浪涌要求較高的情況下，總線可能需要通過快速動作瞬態(tài)電壓抑制（TVS）設(shè)備提供額外保護。如果閃電是一個問題，這種保護可能擴展到包括氣體放電管（GDT）。 GDT施加非常小的負載，具有非常快的反應(yīng)時間，并且可以處理數(shù)千伏特?，F(xiàn)代GDT采用微型SMT封裝，占用的空間比其他無源器件少。

RS-485芯片供應(yīng)商推出了故障和瞬態(tài)保護，以減少惡劣應(yīng)用中的設(shè)備故障。瞬態(tài)保護適用于短期事件，可被視為故障保護的不太嚴格的子集。請注意，不同的供應(yīng)商提供符合標(biāo)準(zhǔn)要求的最低保護的部件，然后添加各種類型和級別的保護以滿足其目標(biāo)市場的需求。因此，在查看RS-xxx部件時，請務(wù)必不僅要判斷基本功能，還要判斷它提供的保護的具體情況。

低壓設(shè)計的電壓轉(zhuǎn)換

隨著電路越來越多地使用3.3和5V等較低電壓，內(nèi)部電壓軌與RS標(biāo)準(zhǔn)要求之間可能存在10 V范圍內(nèi)的電壓要求，以實現(xiàn)接口兼容性。設(shè)計人員可以選擇為接口使用單獨的更高電壓電源，同時在系統(tǒng)的其余部分使用較低的電壓軌，或者使用具有內(nèi)部電壓升壓的IC。

第一個選項增加了IC和一些與BOM相關(guān)的無源器件，但其優(yōu)點是它允許從各種接口IC和供應(yīng)商中進行選擇。系統(tǒng)中也可能存在可用的更高電壓軌，該軌可能能夠提供所需的電壓和電流以支持接口。

第二種選擇意味著選擇帶有接口IC的接口IC。內(nèi)部電荷泵，可以在低電壓下工作，并產(chǎn)生所需的雙極性較大電壓。例如，多協(xié)議Exar XR34350 RS-232/485/422串行收發(fā)器在單個+3.3或+5.0 V電源內(nèi)部工作，但可以通過增加四個小值外部電容器（C1-C4）來產(chǎn)生±10 V輸出（圖7）。

圖7：Exar XR34350 RS-232/485/422串行收發(fā)器是一種多協(xié)議設(shè)備，其數(shù)量和組合收發(fā)器通道取決于所選的特定協(xié)議。它有一個內(nèi)部電荷泵，因此它可以從較低電壓的單極軌提供高達±10 V的電壓。 （來源：Exar Corp。）

XR34350的設(shè)計人員還強調(diào)了對工業(yè)應(yīng)用的保護，所有發(fā)送器輸出和接收器輸入都具有±15 kV的強大ESD保護，符合IEC-61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)氣隙，符合IEC-61000-4-2的±8 kV接觸，以及±15 kV至HBM的要求。 XR34350不僅滿足，而且實際上超過了其中一些標(biāo)準(zhǔn)。此外，它還包括一個高級故障保護終止方案，當(dāng)輸入打開，短路或終止但未被驅(qū)動時，它會自動將輸出默認為邏輯高電平。這是在沒有外部偏置電阻的情況下完成的。

結(jié)論

雖然對無線IIoT連接很感興趣，但有線RS-xxx接口標(biāo)準(zhǔn)仍然是連接傳感器的經(jīng)過驗證的可靠解決方案到工業(yè)環(huán)境中的公共汽車或網(wǎng)絡(luò)。它們提供許多非工業(yè)有線和無線連接無法提供的屬性，并且已經(jīng)適應(yīng)了許多情況。因此，設(shè)計人員可以從各種部件中進行選擇，具有各種配置，特性，功能和特性，以適應(yīng)應(yīng)用。