利用3.3V供電的RS485接口實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通信

在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中，通常使用串行通訊方式進行數(shù)據(jù)交換。最初的RS232接口，由于外界應用環(huán)境等因素，經(jīng)常因電氣干擾而導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現(xiàn)點對點的通信方式，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，而且其最大傳輸距離僅有15米，不能滿足遠距離通訊要求。RS485則解決了這些問題，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，最大傳輸距離約為1219米，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上。

考慮到節(jié)能、低功耗等原因，系統(tǒng)電壓由傳統(tǒng)的5V轉(zhuǎn)為3.3V，因此3.3V供電的RS485接口應運而生。

二、RS-485標準概述

RS-485數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將A-A與B-B對應相連。當線路A高于線路B電平(VA-VB> +200mV)時，接收端輸出為邏輯高電平（RO=1）；當線路A低于線路B電平(VA-VB<-200mV)時，接收端輸出為邏輯低電平(RO=0)。當驅(qū)動器的輸入端邏輯電平為高（DI=1）時，線路A電平高于線路B電平；當驅(qū)動器的輸入端邏輯電平為低（DI=0）時，線路A電平低于線路B電平。見圖1。

圖1：總線差模電壓

三、低壓RS-485網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計要點

1、共模干擾

RS-485接口采用差分方式傳輸信號，一般收發(fā)器能夠承受的共模電壓范圍為-7V至+12V，一旦共模電壓超出此范圍，將會影響通信的可靠性，甚至損壞接口。由于每個系統(tǒng)都會有獨立的地回路，在遠距離通信條件下，系統(tǒng)間的地電位差VGPD將會很大。發(fā)送器的輸出共模電壓為VOC,那么接收器輸入端的共模電壓VCM=VOC+VGPD，RS-485標準規(guī)定VOC小于等于3V，但VGPD的幅度可達十幾伏甚至數(shù)十伏，并可能伴有強干擾信號，導致接收器的共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產(chǎn)生干擾電流。解決此類問題的方法是：

a、通過帶隔離的DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，如圖2所示；

圖2：低壓3.3V隔離電源方案圖

b、通過光耦將信號隔離，減小共模電壓的影響。

采用該方法時，總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號的電源是相互隔離的。

2、光耦隔離電路

光耦往往是限制通信數(shù)據(jù)波特率的主要因素，對于低速傳輸，可采用PS250、TIL117等。在高速電路設(shè)計中，可以考慮采用6N137、6N136等高速光耦，優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計。光耦隔離示意圖如圖3所示。圖3中，電阻R3、R4如果選取得較大，將會使光耦的發(fā)光管由截止進入飽和狀態(tài)的速度變慢；如果選取得過小，退出飽和將會變慢。不同型號的光耦及驅(qū)動電路，使得這兩個電阻的數(shù)值略有差異，阻值的選取通常由實驗來確定。

圖3：光耦隔離示意圖

3、端接電阻

RS-485數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，信號在轉(zhuǎn)換期間和轉(zhuǎn)換之后會發(fā)生反射。數(shù)據(jù)的傳輸速率較低或者通訊距離較近時，反射持續(xù)時間較短，對接收的邏輯電平?jīng)]有影響，可以不用終端匹配。相反，如果數(shù)據(jù)的傳輸速率高或者通訊距離較遠時，反射持續(xù)時間較長，則需要對總線進行終端匹配。

那么究竟在怎樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行總線匹配呢？一條經(jīng)驗性的原則是：當信號的轉(zhuǎn)換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時無需進行終端匹配。

終端匹配有以下兩種方案：

a、電阻匹配，在RS-485總線電纜的始端和末端都并接終端電阻。端接電阻取120Ω，與雙絞線電纜特性阻抗匹配。該方案比較簡單，目前最為普遍。如圖4所示。該方案的弊端在于，匹配電阻對功率消耗較大，不太適合對功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)。