RS485總線切換設(shè)計電路的5種方案

RS485作為常見的總線之一，幾乎每個工控設(shè)備都在用，我們也對其熟悉不過了。我們都知道RS485雙半雙工通信，其CPU內(nèi)部的根源是串口通信，串口通信是區(qū)分發(fā)送TX和接收RX的，在同一對差分信號線上同時傳輸TX、RX，就是進(jìn)行方向的控制，方向的控制時機(jī)不對，數(shù)據(jù)傳送是要出問題的。

例如下圖1、圖2中，CPU端的TX信號發(fā)送完畢后約100uS后方向引腳拉低，切換到接收狀態(tài)，但是在TX信號發(fā)送完畢后60uS從機(jī)就回復(fù)了的RX信號，由于此時還是處于RS485芯片還是處于發(fā)送狀態(tài)，此時的接收數(shù)據(jù)將會被忽略，在系統(tǒng)層面就是體現(xiàn)為數(shù)據(jù)接收丟包。

圖1 RS485 接口電路

有些讀者會可能回想，只要從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)晚一些，不要這么快速回復(fù)，就不存在這個問題了。但是從機(jī)一般都是客戶的機(jī)器，我們幾乎不可能要求別人更改回復(fù)時間。例如三菱的Fx3U PLC作為從機(jī)時，從主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束到從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)，只用了60uS，部分控制板，甚至回復(fù)時間在10uS以內(nèi)。

研究RS485的方向切換的目標(biāo)就是：RS485總線空閑時要處于接收狀態(tài)，如果有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則置高方向引腳，發(fā)送完成及時切換到接收狀態(tài)。

圖2 方向腳切換時間過長的情形

一、RS485方向切換的方案 ? ? ?

大部分的低成本RS232-RS485轉(zhuǎn)換器采用了這種方法。具體的實現(xiàn)方法是:把串口的發(fā)送信號TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來控制RS485收發(fā)器的收發(fā)控制引腳,同時在RS485收發(fā)器的A/B輸出端加上上拉/下拉電阻,具體電路如圖3所示。

圖3 使用反相器自動切換電路

在空閑狀態(tài)下，串口的發(fā)送信號TXD為高電平，經(jīng)過反相器后輸出低電平，使485芯片處于接收狀態(tài)，而RS485總線由于上下拉電阻的作用處于A高B低的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，TXD信號線上的低電平比特位控制485芯片進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，將該比特發(fā)送出去。而高電平比特位則使485芯片處于接收狀態(tài)，由于RS485總線上下拉電阻把總線置于A高B低的狀態(tài)，即表示發(fā)送了高電平。

簡單說，這種電路就是發(fā)送低電平時，485芯片是發(fā)送狀態(tài)，而發(fā)送高電平時，485芯片屬于接收狀態(tài)。

優(yōu)勢：

只需要增加一個反相器就可以實現(xiàn)，無需軟件的干預(yù)，反相器可以使用一個三極管即可以實現(xiàn)，成本十分低廉（幾分錢）；

劣勢：

由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會影響正常發(fā)送的數(shù)據(jù)電平。所以這種換向模式在發(fā)送高電平時的驅(qū)動能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數(shù)據(jù)先切換方向，但是由于方向引腳經(jīng)過了反相器，達(dá)到芯片的時間變長了，比數(shù)據(jù)晚到，所以速率太高的情況容易丟包。如果需要驅(qū)動多個從設(shè)備，就會顯得力不從心，并且驅(qū)動能力太弱，只能短距離傳輸;并且傳輸速度不能太快，一般使用9600bps。

二、RS485方向切換的方案 ? ? ?

使用軟件控制方向：

市面上大部分的內(nèi)置RS485的產(chǎn)品基本都是采用此類的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的實現(xiàn)方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態(tài)，在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)之前，MCU會拉高RS_EN，U1處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送完畢之后，RS_EN重新處于低電平，U1處于接收狀態(tài)。

圖4 使用軟件控制方向切換

此類方案的關(guān)鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時機(jī)，假設(shè)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，沒有及時切換到接收狀態(tài)，而此時從機(jī)又回復(fù)數(shù)據(jù)，此時就會引起丟包，就會出現(xiàn)文章開頭圖2中的情形。不幸的時，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運(yùn)行操作系統(tǒng)(Linux、WIndows等)以后，想要十分準(zhǔn)確控制方向引腳的高低電平已經(jīng)十分困難。

優(yōu)勢：

無需增加任何的硬件成本，且RS485的驅(qū)動能力不受影響。

劣勢：

依賴于軟件控制方向引腳，如果運(yùn)行復(fù)雜的操作系統(tǒng)，控制引腳的優(yōu)先級不夠高，或者軟件的優(yōu)化的不夠好，都會導(dǎo)致方向引腳的切換不及時，到時數(shù)據(jù)的丟包。并且，是否丟包還取決于從機(jī)的回復(fù)時間，測試過程不一定能夠測試出來。

三、RS485方向切換的方案 ? ? ?

使用觸發(fā)器控制方向：

為了克服反相器換向的缺點(diǎn),出現(xiàn)了一種由RS觸發(fā)器控制的自動換向技術(shù),如圖5所示。這個電路的關(guān)鍵是反相器和RS觸發(fā)器之間的由二極管、電阻、電容組成的充放電電路。

在空閑狀態(tài)下，485芯片仍處于接收狀態(tài)。當(dāng)TXD信號線上發(fā)送數(shù)據(jù)的低電平起始位時，反相器輸出高電平，通過二極管為電容迅速充電,使RS觸發(fā)器R端為高電平，S端為低電平，觸發(fā)器輸出高電平,把ISL3152E置于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)TXD信號線轉(zhuǎn)換為高電平時，反相器輸出低電平，電容通過電阻緩慢放電，使得R端暫時仍處于高電平狀態(tài)，加上S端的高電平狀態(tài)，使觸發(fā)器的輸出保持前面的高電平狀態(tài)，485芯片仍處于發(fā)送狀態(tài)。

電容經(jīng)過一段時間放電后，R端電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，則觸發(fā)器輸出低電平，把485芯片置回接收狀態(tài)。通過選擇電阻和電容值，我們可以控制放電速度，使得一個低電平的起始位足以在整個字節(jié)發(fā)送。此類方案參數(shù)一致性非常差，實際使用的都是技高人膽大的。