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1、温控仪设定温度取样与比较项目来源及实际问题菲尼克斯半导体公司在半导体的加工过程中，每种材料都需要在特定的温度下进行，温度的控制由温控仪完成，操作人员只需要根据加工材料设定相应的加工温度，但有操作人员的失误导致设定的加工温度与材料应有的加工温度不符，使得整批材料报废。现在我们需要设计一个系统，将操作工输入到温控仪上的设定温度与材料对应的加工温度进行比较，确保温度设定准确。系统的主要功能只需要完成与温控仪进行通信获得操作工输入的设定温度，以及从数据库中获取对应的材料加工温度，完成比较并进行报警即可。系统的基本实现原理及关键技术问题温控仪提供485通信接口和相应的通信协议，并且材料的温度信息可从计算

2、机上获取，所以整个系统实际上就是解决485通信的问题。远距离数据通信的可靠性是系统的关键技术问题数据通信的基本原理数据通信讨论的是从一个设备到另一个设备传输信息，现代数据通信是利用0和1两种符号来传送数据，用电压来表示逻辑数字0和1。不同的通信方法对于0和1的规定也不同。既然数据通信就是逻辑数字1和0的传输，那么在传输过程中由于电磁干扰等因素导致接收到的逻辑数字与发送的逻辑数字不一致就是数据通信中最需要解决的问题目前串行数据通信的主要方法 电压法 电流法 平衡传输电压法数据接收器收接收到的电压大小在一定的范围内可表示逻辑1或0，而由数据发送器输出的电压在传输过程中会在导线等电阻属性的器件上损失

3、一部分电压，从而导致接收器收到的电压小于发送器输出的电压，在某些情况下会造成逻辑1和0的混乱。比如规定电压高于0.2V为逻辑1,0V到0.2V之间为逻辑0，发送器输出的电压为0.3V，经过降压后接收器收到的电压却低于0.2V，那么本来发送的是逻辑1，而接收到的却是逻辑0，数据发送产生错误。电压法的典型代表RS232对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-

4、15V以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在-3V-15V或+3V+15V之间。 EIA RS-232C 与TTL转换：EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了

5、能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。平衡传输发送端将信号调制成为对称的信号用双线发送，称为平衡发送；发送如采用单线（对应有参考电平），称为非平衡发送；接收端采用对称接收称为平衡接收；接收端采用非对称接收（单线接收对应一个基准电平）称接收为非平衡接收。例如差动电路就是一种平衡方式。平衡传输和非平衡传输的区别：平衡传输是指信号传输线的有两个输入端，一个地线。不平衡传输是指信号传输线的有一个输入端，一个地线。当有共模干扰存在时，由于平衡传输的两个端子上受到的干扰信号数值相差

6、不多，而极性相反，干扰信号在平衡传输的负载上可以互相抵消，所以平衡电路具有较好的抗干扰能力。RS485通信 RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允

7、许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。 RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。 接收器输入灵敏度为200mV，这就意味着若要识别符号或间隔状态，接收端电压必须高于+200mV或低于-200mV。最小接收器输入阻

8、抗为12k,驱动器输出电压为1.5V(最小值)、5V(最大值)。 驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。 采用典型的24AWG双绞线时，驱动器负载阻抗的最大值为54，即32个单位负载并联2个120终端匹配电阻。RS-485已经成为POS、工业以及电信应用中的最佳选择。较宽的共模范围可实现长电缆、嘈杂环境(如工厂车间)下的数据传输。更高的接收器输入阻抗还允许总线上挂接更多器件。 RS-422、RS

9、-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如上图。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。485芯片的选用485芯片选用的型号SN65HVD3082，该芯片采用5V供电，与TIA/EIA-485A标准完全兼容

10、，通过控制输出转换时序，能在长距离双绞线电缆上传输高达200kbps速率的信号，具有宽的共模抑制范围和高静电放电保护能力。偏置电阻的选择偏置电阻：与三极管的偏置电阻一样，这里的偏置电阻是为了将空闲状态的总线电平拉离0电平，更准确的说，偏置电阻是为了将总线的空闲电平拉高到可以在反射信号最强的情况下仍能保持高电平的状态。 添加偏置电阻的解释如下：对于不包含故障保护的芯片，比如SN75176B等，当作为接收器时，如果RS485总线处于空闲状态，则总线电平处在-200mv+200mv之间，这时接收器的输出状态不定，如果接收器输出0，则对于处理器而言，意味着一个字符帧的开始，从而导致网络混乱，出现错误。

11、当然，对于集成有故障保护的芯片而言，比如max3080max3090，如果总线处于空闲状态时（即处于高电平限和低电平限之间时），则接收器的输出为高电平，这就保证了网络的稳定。偏置电阻选择标准：a）需要考虑具体电路的反射信号强度，反射信号跟具体的电路有关，没有参数可寻。b）滞回电压，在混入反射信号后，经过偏置电阻的偏置作用空闲状态的总线差分电压需要高于该滞回电压，只有这样才能让接收器避免进入不定状态。滞回电压可以在datasheet中查到，比如SN65HVD3082的滞回电压是30mv。通过上面a，b两点，我们可以看出，当接收器处于空闲状态时，经过偏置后，即使掺杂最高的反射信号，对于接收器而言，

12、总线电平依然要高于滞回电压，这是我们选择偏置电阻的基本要求和出发点。但是，a中也提到反射信号在不同的网络中都有不同，网络的变动也会导致反射信号的变化，因此，工程中我们对于a和b中提到的要求做以下处理：偏置电阻需要将空闲总线电平带到将接收器置1的电平水平。分析如下：比如对于SN75176B，接收器的置1差分电压是200mv，那就需要偏置电阻将空闲总线电平带到200mv，又由于SN75176B的滞回电压是50mv，因此这里我们假设了最强反射信号造成的电位降低为200-50=150mv。从这个分析我们能看出，我们用200mv的接收器置1电压粗略包含了反射信号和滞回电压，即a和b中的要求。当然，为了保

13、险起见，可以将空闲总线电平偏置到略微高于接收器的置1差分电压，比如对于SN75176B而言，略微高于200mv，例如偏置到300mv左右。另外，对于偏置电阻，分为上拉和下拉电阻，我推荐使用相同的上拉和下拉电阻，理由如下：对于无论A或者B输出线而言，电平都是0V-6V（SN75176B）,因此无论上拉或者下拉电阻，如果过小，都会导致相应输出线的电流过大，比如：对于SN75176B，当A输出低时（此时B肯定输出高，因为两个反向，这些知识可以查看datasheet），如果A端的上拉电阻太小，就会有大量拉电流流入芯片。对于B输出高，如果B的下拉电阻过小，就会有大量灌电流通过该电阻流入地，也会导致B输出

14、线电流太大。又由于偏置电阻的和，即A的上拉电阻和B的下拉电阻的和，为固定数值，因此，权衡两条输出线，只能平均配置两个偏置电阻。最后，偏置电阻可以分散到每个收发器，也可以只加在总线的某一处。如果分散到每个收发器，则需要按照并联的方法使总的上拉和下拉电阻与总线需要的上拉下拉电阻相等。对于单个两端无匹配电阻的RS485线路（其偏置电阻的计算方法和步骤如下：1）计算节点总负载每个节点的负载阻抗为12K欧。2）计算最小偏置电流为了满足最小置1电压200mV，所需的最小偏置电流为：200/12=16.7uA4）计算偏置电阻总和在5V的电压下，提供最小偏置电流所需的最大串联电阻为：5/16.7=300K欧减

15、去已经加在线上的12K欧，就是上拉和下拉阻抗的和：300-12=288K欧5）计算上拉和下拉电阻其中：最大上拉电阻=最大下拉电阻=288/2=144K欧RS485总线及组网通信为什么485总线要采用手拉手结构，而不能采用星形结构？ 星形结构会产生反射信号，从而影响到485通信。总线到每个终端设备的分支线长度应尽量短，一般不要超出5米。分支线如果没有接终端，会有反射信号，对通讯产生较强的干扰，应将其去掉。 采用RS-485/RS422接口通讯时，在什么条件下需要采用终端匹配？电阻值如何确定？如何配置终端匹配电阻？ 在长线信号传输时，一般为了避免信号的反射和回波，需要在接收端接入终端匹配电阻。其终

16、端匹配电阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆的长度无关。RS-485/RS-422一般采用双绞线（屏蔽或非屏蔽）连接，终端电阻一般介于100至140之间，典型值为120。在实际配置时，在电缆的两个终端节点上，即最近端和最远端，各接入一个终端电阻，而处于中间部分的节点则不能接入终端电阻，否则将导致通讯出错。应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线

17、到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。RS-485/RS-422接口为何在停止通信时接收器仍有数据输出？ 由于RS-485/RS-422在发送数据完成后，要求所有的发送使能控制信号关闭且保持接收使能有效，此时，总线驱动器进入高阻状态且接收器能够监测总线上是否有新的通信数据。但是由于此时总线处于无源驱动状态（若总线有终端匹配电阻时，A和B线的差分电平为0，接收器的输出不确定，且对AB线上的差分信号的变化很敏感；若无终端匹配，则总线处于高阻态，接收器的输出不确定），容易受到外界的噪声干扰。当噪声电压超过输入信号门限时（典型值200mV），接收器将输出数据，导

18、致对应的UART接收无效的数据，使紧接着的正常通讯出错；另外一种情况可能发生在打开/关闭发送使能控制的瞬间，使接收器输出信号，也会导致UART错误地接收。解决方法：在通讯总线上采用同相输入端上拉（A线）、反相输入端下拉（B线）的方法对总线进行钳位，保证接收器输出为固定的“1”电平；共模干扰问题：485总线虽采用差分方式传输信号，似乎并不需要相对于某个参照点来判定信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了，但有人往往忽视了任何485接口IC总有一定的共模电压承受范围，如一般的-7+12V，只有满足这个条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口

19、。比如当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD，那么接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS3V，但VGPD可能会有很大幅度如十几伏甚至上百伏，且可能伴有强干扰（快速波动），致使接收器共模输入超出正常范围并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。所以系统需要接地的部分应该在同一点接地。EMI问题：发送器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端（注意485的交流模型），整个总线就会像一

20、个巨大的天线向外辐射电磁波。 由于上述原因，尽管485采用了差分平衡传输方式，但对整个485网络而言，必须有一条低阻的信号地将各个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。电路设计根据现场提供的条件，每条生产线共有8台温控仪，以及一台计算机，温控仪提供485通信接口。系统设计需要两个方向的485通信，并且需要将系统至温控仪的8条通信线路通过一个集线器与计算机进行通信。将系统分为两个部分，PCB板完成与温控仪的通信，集线器完成与计算机的通信以及与PCB板之间的数据交换，所有的通信均采用485通

21、信，系统的框图如下PCB板子主要功能是完成与温控仪的数据通信，并从集线器接收数据并反馈信息。将温控仪上获得的温度信息与集线器从PC上获得的温度信息进行比较，将结果反馈给集线器。集线器的主要功能是将PC上获得的温度信息发送给8块与温控仪通信的PCB板，并接收从PCB板返回的比较结果，根据结果输出报警信号PCB板的设计PCB板的主要功能是完成温度的获取与比较，获取温度信息需要两条485通信线路，所以选用有2个UART口的ATMEGA64单片机作为处理芯片，输出的TTL电平经过485芯片转换成差分信号，与温控仪的485通信接口链接，完成数据的传输，64芯片的485通信电路如图光耦限流电阻的计算为了保

22、证通信速率，取通过光耦原边的电流If=16mA，电流转换率为50%,三极管导通电压为0.4V，原边12V供电原边电阻为R=12/16=750欧光耦副边电流为IC=16*0.5=8mARC=（5-0.4）/8=575欧考虑到充分的进入饱和状态，那么，可以取Rc为近视的2倍，也就是1.2K；TXD、RXD分别接64单片机的数据发送、数据接收引脚，当单片机接收数据时，差分信号经过485芯片转换成TTL电平，再经过光耦的隔离后进入单片机内部，此时，485芯片接收器使能引脚置为低电平，处于接收状态。当单片机向外发送数据时，485芯片驱动器使能引脚置于高电平，处于数据发送状态，信号经过485芯片转换成差分信号从AB线发送至下位机当没有数据流通时TXD、RXD均为高电平，CTR信号为低电平，芯片数据接收使能端置于低电平，芯片处于数据接收状态。当单片机复位时，单片机各引脚均处于高组态，CTR信号为低电平，则485芯片使能端均为低电平，处于数据接收状态集线器的设计由于每条生产线上有8台温控仪，但只有一台计算机，所以需要将8台温控仪用一条总线与计算机连接。集线器的功能是将计算机上的温度信息发送