零延時(shí)RS一485接口電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要根據(jù)在研制節(jié)能燈壽命檢測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)際檢測(cè)環(huán)境傳輸數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)物理總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議提出要求。采用零延時(shí)RS一485接口電路，邏輯上采用主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)上采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)出一種支持主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的485HUB，經(jīng)過通信協(xié)議的幀校驗(yàn)和幀超時(shí)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高軟件抗干擾的能力。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞零延時(shí)RS一485節(jié)能燈壽命檢測(cè)

1概述

RS一485接口是一種基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，在適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x遠(yuǎn)；同時(shí)易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，被廣泛的應(yīng)用在很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

節(jié)能燈壽命檢測(cè)環(huán)境中，主要干擾來自開關(guān)和壽命檢測(cè)的強(qiáng)電干擾、開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾、空氣循環(huán)設(shè)備的干擾等等；同時(shí)由于壽命檢測(cè)環(huán)境溫度高，強(qiáng)電系統(tǒng)復(fù)雜，也給系統(tǒng)的運(yùn)行提出更高的要求。壽命檢測(cè)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)報(bào)告每一盞節(jié)能燈的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境溫度、電壓等，并在壽終計(jì)算出節(jié)能燈壽命、光通等參數(shù)?？梢娤到y(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此物理總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議尤為關(guān)鍵。

2接口設(shè)計(jì)

良好的接口設(shè)計(jì)，應(yīng)該在硬件上保證系統(tǒng)有良好的抗干擾性、穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性。本系統(tǒng)選用了性價(jià)比很高的半雙工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特點(diǎn)[1]：

①滿足或超出TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)的要求；

②低靜態(tài)電流消耗——有效模式為小于0。3mA，關(guān)閉模式為lnA；

③優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)，傳輸率達(dá)200kbps時(shí)保持低EMI；

④1/8單元負(fù)載——1條總線上多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)；

⑤總線引腳ESD保護(hù)超過16kv；

⑥工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN75176覆蓋范圍；

⑦失效保護(hù)功能。

基于SN65HVD3082的RS-485接口電路，通常有三種方案。

(1)直接控制收發(fā)的RS-485接口電路

此方法使用控制器切換發(fā)送使能和接收使能端，控制接口電路數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于采用直接收發(fā)，因此需要發(fā)送和接收時(shí)的轉(zhuǎn)換，只能加入額外的控制器來控制發(fā)送和接收的轉(zhuǎn)換；同時(shí)，需要用控制器存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)所有的傳輸數(shù)據(jù)，這樣，每傳輸1幀數(shù)據(jù)，至少損失1個(gè)單位的接收時(shí)間(儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)1幀數(shù)據(jù)的時(shí)間)。此方案不利于數(shù)據(jù)量大的實(shí)時(shí)通信，而且在發(fā)送和接收的切換過程中，在VA和VB(VA和VB分別是Rs一485總線的A、B端的電壓)有階躍電壓的產(chǎn)生。這個(gè)階躍電壓對(duì)接收器的接收有干擾產(chǎn)生。

(2)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路

圖l所示的虛線框中為接口電路，通過對(duì)真值表進(jìn)行分析，其發(fā)送和接收過程為：

當(dāng)發(fā)送端DI=O時(shí)，DE/RE=1發(fā)送O電平，接收端RO=O；當(dāng)發(fā)送端DI=1時(shí)，DE/RE=0，VA=VB=2。5V，接收端由于上拉電阻的作用RO=1。

在此接口電路的TXo端加入1kHz的TTL方波對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。未加入120Ω端電阻時(shí)，接口芯片的485-A和485-B腳都有約50μs的電壓變化過程，如圖2所示。接收端Ro波形的上升沿有明顯的延遲約30～40μs(和數(shù)據(jù)發(fā)送端DI比較)，造成很大的傳輸誤差；加入120Ω端電阻時(shí)，延遲明顯縮小，約3μs。

此電路在發(fā)送高電平時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，總線上所有接口處于接收狀態(tài)，總線是空閑的，允許其他接口發(fā)送數(shù)據(jù)，因此容易引入總線沖突。特別是連續(xù)發(fā)送商電平比特時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，引入總線沖突的幾率就越大。

(3)零延時(shí)的RS-485接口電路

零延時(shí)RS-4185接口電路主要采用74HCl4和電路中的電阻、電容等元件構(gòu)成一個(gè)延時(shí)很短的電路，其主要作用是：

①發(fā)送器在發(fā)送高電平的時(shí)候，在短延時(shí)內(nèi)不再是處于高阻狀態(tài)，仍有驅(qū)動(dòng)電流存在，這樣在一定程度上可以增加接口的抗干擾能力。

②從真值表可以看出．對(duì)于接收器，當(dāng)VID=VA-VR≥一O。01V時(shí)，RO=1；在發(fā)送端，當(dāng)DE/RE=0，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的VA和VB都是高阻態(tài)，此時(shí)VA=VB=2。5V，因此，這時(shí)對(duì)于接收端RO=1；而在短延時(shí)的時(shí)間內(nèi)，由千DI=1且DE/RE=1．所以RO=1．可見在短延時(shí)和DE/RE=0的時(shí)間內(nèi)接收端RO=l，這樣就完成了對(duì)高電平的發(fā)送和接收，而且在接收端的上升沿不會(huì)有延遲，即零延時(shí)，如圖3所示。

把圖l中自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-485接口電路換成零延時(shí)的RS-485接口電路，如圖4所示。同樣在TX0端加入1kHz的方波對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果是接收端RO的上升沿不會(huì)有延遲。這和是否接入120Ω的端電阻沒有關(guān)系，證實(shí)了以上的分析。

圖2、3中虛線箭頭指向處的電壓為2。5V。

圖4中，根據(jù)系統(tǒng)所確定的傳輸速度來選擇R3和C0參數(shù)，以達(dá)到零延時(shí)。傳輸速度越高，延時(shí)越小。這里選擇R3=22kΩ，C0=1000pF。

自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換的RS-4t85接口電路和零延時(shí)的RS-485接口電路都有不足之處，即在發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的高電平時(shí)，邏輯上發(fā)送端是處于發(fā)送狀態(tài)，接收端處于接收狀態(tài)；但實(shí)際上，此時(shí)所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的發(fā)送端和接收端都處于接收狀態(tài)。這在對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中是不能忽視的，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，總線是空閑的，是允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的。

這里采用的是主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此這個(gè)問題不會(huì)影響系統(tǒng)工作。

3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)壽命檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需要提出的，設(shè)計(jì)目標(biāo)是：滿足lO個(gè)壽命架，每個(gè)壽命架64個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)要求，在硬件和軟件上做到容易擴(kuò)展，走線合理。因此邏輯上采用主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)上采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩級(jí)總線，主要由以下設(shè)備組成：

①RS-232轉(zhuǎn)RS-485。實(shí)現(xiàn)RS-232到RS-485電氣信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這是第一級(jí)RS-485總線。

②10口的485HIJB(集線器)。如圖6所示，485HUB是由1個(gè)主機(jī)和10個(gè)從機(jī)的零延時(shí)的RS-485接口組成，這是在邏輯上實(shí)現(xiàn)主從式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)主機(jī)端下行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，連接在10個(gè)從機(jī)接口上的所有接口都可以接收到數(shù)據(jù)；而當(dāng)某個(gè)從機(jī)接口上掛接的節(jié)點(diǎn)上行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只有主機(jī)節(jié)點(diǎn)(PS端)和掛接在同一個(gè)從機(jī)接口上的其他節(jié)點(diǎn)可以接收到數(shù)據(jù)。這是第二級(jí)RS-485總線。

③單片機(jī)節(jié)點(diǎn)。有4種節(jié)點(diǎn)，即節(jié)能燈狀態(tài)采集節(jié)點(diǎn)、溫度采集節(jié)點(diǎn)、供電電壓采集節(jié)點(diǎn)和模式控制節(jié)點(diǎn)。每個(gè)單片機(jī)節(jié)點(diǎn)的通信接口都采用零延時(shí)的RS-485接口電路，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的地址，用于PC端尋址。

理論上，SN75HVD3082的一條總線可以連接多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此在每個(gè)從機(jī)接口上可以擴(kuò)展更多的節(jié)點(diǎn)；同時(shí)在RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器的總線上也可以連接更多的485HUB。這樣就可以實(shí)現(xiàn)硬件上的擴(kuò)展。

4通信協(xié)議

采用9600bps的波特率，固定長(zhǎng)度幀結(jié)構(gòu)，幀長(zhǎng)度10字節(jié)。幀信息定義如下：幀頭(0x550xAA)、命令(1字節(jié))、數(shù)據(jù)(4字節(jié))、從機(jī)地址(2字節(jié))、校驗(yàn)(1字節(jié))。

在通信協(xié)議中采用幀校驗(yàn)和幀超時(shí)，以達(dá)到軟件抗干擾的目的。

①幀校驗(yàn)：采用累加和校驗(yàn)。在發(fā)送時(shí)，把幀頭、命令、數(shù)據(jù)、從機(jī)地址幾個(gè)域相加并取最低字節(jié)填充到校驗(yàn)域。如果節(jié)點(diǎn)不處于接收狀態(tài)，則啟動(dòng)發(fā)送，否則等待；如果在未超時(shí)，并完整地接收到10字節(jié)時(shí)，把幀頭、命令、數(shù)據(jù)、從機(jī)地址幾個(gè)域相加，并與校驗(yàn)域比較，相同表示成功接收到1幀數(shù)據(jù)。

②幀超時(shí)：幀超時(shí)定義是，在接收到第一個(gè)字節(jié)時(shí)，進(jìn)入接收狀態(tài)，并設(shè)置8ms定時(shí)，以后每接收到一個(gè)字節(jié)，重置8ms定時(shí)。正常情況下，接收一個(gè)字節(jié)約1ms時(shí)間。如果超過8ms，則退出接收狀態(tài)，丟棄當(dāng)前接收幀，回到空閑狀態(tài)，等待下一幀的接收。

在程序設(shè)計(jì)中，幀超時(shí)的定義與程序的架構(gòu)和波特率有關(guān)，原則上只要大于1個(gè)字節(jié)的接收時(shí)間就可以了。這里選擇8ms與程序的架構(gòu)有關(guān)。

5測(cè)試結(jié)論和應(yīng)用前景

在設(shè)置了所有節(jié)點(diǎn)的地址后，即可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方案是，在PC機(jī)端運(yùn)行測(cè)試軟件，約每隔50ms發(fā)送一次測(cè)試命令輪詢所有的節(jié)點(diǎn)。每一次發(fā)送都要求有數(shù)據(jù)返回，否則視為通信錯(cuò)誤。軟件連續(xù)運(yùn)行7天，沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，說明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

目前設(shè)計(jì)的節(jié)能燈壽命檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)成功投入使用，運(yùn)行效果良好。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)于設(shè)計(jì)具有大量節(jié)點(diǎn)、大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)智能檢測(cè)系統(tǒng)起到借鑒作用，在自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域中將有較為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。