如何簡(jiǎn)化工業(yè)PC接口
工業(yè)PC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的小型化和更多通信功能趨勢(shì)推動(dòng)了現(xiàn)代總線收發(fā)器的發(fā)展。新型收發(fā)器因?yàn)榧啥雀摺⑼瑫r(shí)支持RS-232和 RS-485標(biāo)準(zhǔn)以及配置特性豐富,所以比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更受歡迎。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201807/384630.htm本文討論了業(yè)內(nèi)最常用的RS-232和RS-485接口標(biāo)準(zhǔn),介紹了雙協(xié)議收發(fā)器的功能和特性,并探討了包括工業(yè)PC在內(nèi)的多協(xié)議應(yīng)用實(shí)例。
RS-232標(biāo)準(zhǔn)
RS-232是一種僅針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而定義的單端全雙工接口。這意味著一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)接收器,反過來也一樣,一個(gè)接收器連接到一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。這種接口需要驅(qū)動(dòng)器和接收器接地之間具有地線連接,以便為信號(hào)發(fā)送和接收提供共同參考(圖1)。
圖1:?jiǎn)味它c(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路
RS-232試圖通過使用高信號(hào)振幅來獲得抗噪性。該標(biāo)準(zhǔn)使用反邏輯,并規(guī)定邏輯0為+3V至+15V總線電壓,邏輯1為 -3V至-15V總線電壓(圖2)。+3V 至 -3V范圍的邏輯狀態(tài)未定。
圖2:RS-232信號(hào)電平(A),從邏輯轉(zhuǎn)換為總線信號(hào)(B),帶有集成電荷泵的RS-232收發(fā)器(C)
目前的大多數(shù)RS-232設(shè)計(jì)使用一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)通道,每個(gè)通道包含一個(gè)發(fā)送和接收信號(hào)對(duì)。提供兩個(gè)通道的收發(fā)器能用一個(gè)通道發(fā)送數(shù)據(jù),用另一個(gè)通道進(jìn)行信號(hào)交換控制。單通道器件必須求助于軟件流控制。
RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大信號(hào)速率(19.8kbps)和最大壓擺率(30V/µs)。但現(xiàn)代收發(fā)器能夠通過減小總線電壓振幅,支持高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)速率而不違反壓擺率規(guī)范。盡管沒有具體規(guī)定,但最大電纜長(zhǎng)度一般限于30米左右。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)
RS-485標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代早期,在嘈雜環(huán)境中和遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健數(shù)據(jù)傳輸方面,一直保持著顯著更優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)的地位。該標(biāo)準(zhǔn)在兩條導(dǎo)線(A和B)的信號(hào)對(duì)上使用差分信號(hào)傳輸技術(shù)。按照該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,在施加54差分載荷時(shí),兩條導(dǎo)線之間的差分總線電壓擺幅為最小1.5V。
圖3:包含菊鏈總線節(jié)點(diǎn)和端接線纜末端的典型RS-485網(wǎng)絡(luò)
RS-485支持通過多點(diǎn)總線拓?fù)溥B網(wǎng)多達(dá)32個(gè)單位載荷??偩€節(jié)點(diǎn)通過雙絞線電纜以菊鏈方式(圖3)相互連接。推薦的120電纜特性阻抗要求在電纜兩端都有終端電阻,其阻值應(yīng)與電纜阻抗匹配。
由于接收器輸入本質(zhì)上都參考地,所以驅(qū)動(dòng)器與接收器之間無需單獨(dú)的地線連接。這是在接收器輸入電壓不超過-7V 至 +12V的規(guī)定共模電壓范圍的情況下。
RS-485支持最長(zhǎng)4000英尺(1200米)電纜長(zhǎng)度和最大10Mbps數(shù)據(jù)速率,但并非同時(shí)支持。對(duì)于給定的數(shù)據(jù)速率,最大適用電纜長(zhǎng)度遵循保守的電纜長(zhǎng)度相對(duì)數(shù)據(jù)速率關(guān)系特征,如圖4所示。
圖4:RS-485電纜長(zhǎng)度相對(duì)數(shù)據(jù)速率關(guān)系特征
RS-485支持多點(diǎn)拓?fù)?,其中每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)均可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。多點(diǎn)總線分為半雙工和全雙工兩個(gè)類型(圖5)。半雙工總線使用兩條跨線,其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)可發(fā)送數(shù)據(jù),另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。全雙工總線使用兩個(gè)信號(hào)對(duì)(四條導(dǎo)線)。一個(gè)信號(hào)對(duì)將主節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器連接到多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的接收器,另一信號(hào)對(duì)將從節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器連接到主節(jié)點(diǎn)的接收器。該拓?fù)湓试S主節(jié)點(diǎn)向所有從節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù),或?qū)ぶ芬粋€(gè)特定從節(jié)點(diǎn),同時(shí)接收來自從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(一次一個(gè)從節(jié)點(diǎn))。全雙工總線可增加數(shù)據(jù)吞吐量,但由于接線更麻煩,所以要比半雙工總線貴許多。
圖5:半雙工和全雙工多點(diǎn)總線拓?fù)?/p>
雙協(xié)議收發(fā)器
現(xiàn)代收發(fā)器能夠支持新工業(yè)PC的設(shè)計(jì)和RS-232至RS-485/RS-422接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)?,F(xiàn)有RS-232設(shè)備(如傳統(tǒng)PC、儀表設(shè)備和工業(yè)機(jī)器)需要上述轉(zhuǎn)換器,以便連接至單一網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行遠(yuǎn)距離連接。
圖6顯示了一種雙協(xié)議收發(fā)器的電路圖。該器件包含兩個(gè)RS-232發(fā)送和接收通道以及一個(gè)全雙工RS-485收發(fā)器。請(qǐng)注意該收發(fā)器的直通式引腳分配,其一側(cè)是總線引腳,另一側(cè)是邏輯引腳。這允許輕松布置通向本地控制器的信號(hào)跡線,與傳統(tǒng)收發(fā)器相比有很大的優(yōu)勢(shì)(如圖3所示),因?yàn)閭鹘y(tǒng)收發(fā)器的引腳分配要求從總線到控制器側(cè)的信號(hào)跡線交叉,反之亦然。
圖6:包含一個(gè)RS-485和兩個(gè)RS-232收發(fā)器的雙協(xié)議收發(fā)器
當(dāng)獨(dú)立操作總線系統(tǒng)時(shí),每個(gè)RS-232端口可支持最大400kbps數(shù)據(jù)速率,且不會(huì)超過規(guī)定最大壓擺率。
RS-485允許通過/SLOW485引腳選擇20Mbps高速模式和115kbps壓擺率限制模式。在高速模式下,驅(qū)動(dòng)器輸出無壓擺率限制。這種模式僅應(yīng)在傳輸距離短于100英尺(30米)時(shí)使用。另外,高速模式還需要在電纜兩端使用終端電阻器,且電阻器的阻值必須匹配120Ω(RS-485電纜)或100Ω(五類線)的電纜特性阻抗。
現(xiàn)代收發(fā)器必須能在低供電電壓下高效工作,這是通過優(yōu)化電荷泵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。圖6中的電荷泵可建立用于RS-232驅(qū)動(dòng)器的雙極電源(V+, V-),只需要四個(gè)小的0.1μF電容器。其中兩個(gè)電容器用于實(shí)際電荷泵操作,將初始3.3V 電壓(Vcc)轉(zhuǎn)換為+5V ( V+ )和 -5.3V(V-)。另兩個(gè)電容器用于緩沖V+ 和 V-,以確保開關(guān)操作期間為RS-232驅(qū)動(dòng)器提供充足的供電電流。
總收發(fā)器供電電流已經(jīng)小于4mA,通過使整個(gè)芯片進(jìn)入關(guān)斷模式還可以節(jié)省更多電能。這是通過將/SHDN引腳拉到邏輯低態(tài)而實(shí)現(xiàn)的。在關(guān)斷模式下,電荷泵停止工作,其余供電電流僅由流入邏輯輸入端的漏電流組成。因此,總漏電流取決于器件配置,但可低至40μA。
當(dāng)通過將/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)重新啟用器件時(shí),電荷泵最多需要25微秒來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在此期間不能進(jìn)行RS-232通信。由于電荷泵不為RS-485收發(fā)器供電,RS-485通信可在/SHDN調(diào)到邏輯高態(tài)2微秒后開始。這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于在所有工作模式下都需要使用電荷泵的傳統(tǒng)收發(fā)器。
多協(xié)議應(yīng)用
將一個(gè)RS-485和兩個(gè)RS-232收發(fā)器集成為一個(gè)IC,可極大提高工業(yè)PC接口設(shè)計(jì)的多用途性,因?yàn)檫@樣本地控制器可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)許多總線系統(tǒng)或充當(dāng)接口轉(zhuǎn)換器,如圖7所示。當(dāng)用作RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器時(shí),通道1和/或通道2的RS-232信號(hào)可轉(zhuǎn)換為邏輯電平,然后通過RS-485總線發(fā)送。通過使用地址編碼,RS-485鏈路兩端的控制器能夠區(qū)分兩個(gè)RS-232數(shù)據(jù)流。
圖7:通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設(shè)備
為通過遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路延長(zhǎng)兩個(gè)RS-232接口之間的數(shù)據(jù)鏈路,雙協(xié)議收發(fā)器配置為獨(dú)立的RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器。這種情況下需要兩個(gè)轉(zhuǎn)換器(電纜兩端各一個(gè)),以便將RS-485總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232數(shù)據(jù),反之亦然。該配置比較簡(jiǎn)單,因?yàn)獒槍?duì)驅(qū)動(dòng)器和接收器的啟用輸入可通過固定導(dǎo)線連接至其各自的電壓軌,使收發(fā)器持續(xù)處于活躍狀態(tài)(圖8A)。
圖8:通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設(shè)備
在全雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個(gè)RS-232設(shè)備需要對(duì)從節(jié)點(diǎn)中的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輕微的配置變更。主節(jié)點(diǎn)(PC)中的驅(qū)動(dòng)器和接收器可一直保持活躍狀態(tài),從節(jié)點(diǎn)中的接收器也同樣可以。但必須嚴(yán)密控制從節(jié)點(diǎn)中的接收器,以防有兩個(gè)或更多從節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問總線。為此,需要使用第二個(gè)RS-232通道的驅(qū)動(dòng)器利用RTS流控制信號(hào)來啟用和禁用RS-485驅(qū)動(dòng)器(圖8B)。請(qǐng)注意,在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部 ,RTS必須返回到控制器的CTS輸入。這稱為零調(diào)制解調(diào)器(null-modem)配置。
圖9:通過RS-232至RS-485轉(zhuǎn)換器連網(wǎng)多個(gè)RS-232設(shè)備
在半雙工RS-485總線上連網(wǎng)多個(gè)RS-232設(shè)備需要圖9A所示的配置。在此配置中,RTS信號(hào)負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)器和接收器的啟用功能。所有節(jié)點(diǎn)(包括主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn))都需要此配置,因?yàn)榘腚p工總線一次只能沿一個(gè)方向發(fā)送數(shù)據(jù)。
在有些設(shè)備中,RTS和CTS控制信號(hào)可與待發(fā)送數(shù)據(jù)存在最大10毫秒的不同步。在此情況下,最好使啟用信號(hào)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式信號(hào)。這是通過在驅(qū)動(dòng)器輸入(DI)和啟用引腳(DE485和 /RE485)之間實(shí)施逆變器功能而實(shí)現(xiàn)的。這會(huì)在DI = 邏輯低態(tài)時(shí)使收發(fā)器處于發(fā)送模式,在DI = 邏輯高態(tài)時(shí)處于接收模式。在接收模式下,驅(qū)動(dòng)器輸出具有高阻抗,低阻抗終端電阻器可將總線電壓減小至0V。由于RS-485接收器是完全防故障(full-failsafe)的器件,總線上的所有雙協(xié)議收發(fā)器會(huì)在接收器輸入端(RO)指示零總線電壓為邏輯高態(tài)。因此,在低態(tài)有效和高阻抗之間切換驅(qū)動(dòng)器輸出,仍然會(huì)在另一個(gè)接收器的輸出端產(chǎn)生從低到高的轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
由于具有高集成度、同時(shí)支持RS-232和RS-485協(xié)議、可編程數(shù)據(jù)速率和省電配置等特性,現(xiàn)代雙協(xié)議收發(fā)器可簡(jiǎn)化工業(yè)接口的設(shè)計(jì)。為支持系統(tǒng)工程師的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),Intersil提供了廣泛的固定和可編程、單通道和雙通道、多協(xié)議收發(fā)器。
評(píng)論