通信电路设计指引

美的家用空调国内事业部设计规范规范编号:QMN-J33.230-2009485通信电路设计指引(发布日期:2009-04-241范围本设计指引对485通信电路的电路原理,各器件的参数计算选择,相关技术要求和实际使用中的有关问题进行了阐述。本设计指引适用于美的家用空调国内事业部的485通信电路的设计。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。QMN-J29.001空调器电子控制器(原标准号02.0083定义半双工方式:此种方式下的系统中每个通信设备均有发送器和接收器,由电子开关切换,两个通信设备之间只用一根通信线相连接,通信双方都可以接收或者发送,但同一时刻只能单向传输。4总述RS-485总线作为一种允许多点、差分数据传输的通信电气规范,定义了一个极为坚固可靠的,基于单对平衡线的多点,双向(半双工的通信链路,具有长传输距离、宽共模范围、信号冲突保护、低成本和良好的抑制高噪声等特性。RS-485实质上是一个电气接口规范,它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性,而没有规定插件、传输电缆与通信协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。目前美的家用空调很多机型,尤其是基站系列空调均使用到了RS-485通信电路。RS-485的接口规范特点如下:1美的家用空调国内事业部设计规范●平衡传输、差动工作模式●驱动器带载最小输入电压:±1.5V●最大输出短路电流:250mA●接收器输入门限:±200mV●-7V至+12V总线共模范围●接收器输出逻辑高:>200mV●最大总线负载:64个单位负载●最大传输速率:10Mbps●多点通信规范编号:QMN-J33.230-2009●驱动器带载最大输入电压:±5V●驱动器输出阻抗:54●接收器最小输入阻抗:12K●最大输入电流1.0mA/-0.8mA(12Vin/-7Vin●接收器输出逻辑低:<200mV●允许收发器数目:32Tx、32Rx●最大电缆长度:约1.2千米4.1电路原理图如图1所示:+5V102C2C1104+5VR1101R21011N41481N4148D1D21N4148D51N4148D6C3104+5V8765VccBAGNDROREDEDI1234102C4R6101R7101R18R19R20512512512RO1RE/DE1DI1512512512R15R16R171234ROVccREBDEADIGNDIC1MAX130858765D4D31N41481N4148RO2RE/DE2DI2依依依依依依依依R4121R5121R3101R8101D71N41481N4148D91N4148D111N4148D13D81N4148IC2MAX13085+5V+5V+5V依依依依依依依依D101N4148+5V1N4148D15+5VD121N41481N4148D14D161N4148+5VC5104+5VC71045678DIGNDDEAREBROVccMAX13085IC3MAX13085IC4+5V512512512R23R22R21DIGNDDEAREBROVcc5678+5V512512512R24R25R26102C84321101R9R10R11101101R12101102C6R13R14101101DI3RE/DE3RO3依依依依依依依依4321RO4RE/DE4DI4依依依依依依依依图1使用MAX13085通信芯片的485通信电路原理图2美的家用空调国内事业部设计规范4.2工作原理简介规范编号:QMN-J33.230-2009DI是发送数据到总线,RO是接收总线上的数据,RE/DE是接收/发送允许,低电平时为接收,高电平时为发送。对于全双工芯片,这两个控制线可以同时有效,但对于半双工的芯片,同一时间只能一个有效。当传输的距离很长时,而双方信息的交换又不是很频繁时都是采用半双工方式,这样可以节省一对传输用线。我们空调一般都是使用半双工方式。主芯片将通信内容通过通信芯片MAX13085转换为485总线的差分信号在总线上传输,再通过通信芯片MAX13085转换为正常的5V波形输入到主芯片上去,实现了主从机的通信。美的家用空调内销使用过的485通信芯片主要有MAX3082和MAX13085两种型号,由于市场上出现了较多的MAX3082假冒芯片,对产品质量存在较大风险,目前已全部切换为MAX13085型号,且主要使用SO-8贴片封装,MAX3082和MAX13085的主要区别在于:MAX3082的工作电压允许为+7V,输出端电压为±13V,最高传输速率为115Kbps,不支持热插拔;而MAX13085的工作电压允许为+6V,输出端电压为-8V~+13V,最高传输速率为250Kbps,支持热插拔;4.3各元器件作用通信芯片IC1——485通信芯片,将主芯片的COMS电平转换为总线上的差分信号,或将总线上的差分信号转换为主芯片能识别的COMS电平;瓷片电容C1——对通信芯片电源进行处理;瓷片电容C2——将输入到的主芯片信号滤波;上拉电阻R1,R2,R3——主芯片与485芯片之间的限流电阻;匹配电阻R4——为了解决总线上的发射和干扰,有时候就需要对总线进行终端匹配,如果反射信号在采样开始时已经衰减到可以忽略,那就不用考虑总线匹配问题。由于目前我们通用的双绞线的这个特性阻抗是100至120之间,因此在485电路的首端及末端增加一个100或120的电阻;二极管D1、D2、D3、D4——总线的上钳位二极管,主要是滤掉总线上的串扰信号,同时降低各节点的反射信号,提高通信质量;R15、R16、R17——为选装电阻,主要用作上拉用,解决主芯片三个通信口为开漏口时不能有效输出电平的问题;当三通信口为普通I/O口时,可以不加此电阻。4.4各元器件选型通信芯片IC1选用MAXIM公司的新一代RS-485通信MAX3080~3089系列产品中的MAX3085,主要使用SO-8贴片封装(202300700433,其中插件封装不推荐使用。C1选用104的贴片或者瓷片电容均可;C2选用102的贴片或者瓷片电容均可,但是必须要加,否则通信的可靠性会受到很大的影响;R1,R2,R3选用100欧的普通贴片或插件电阻;R4选用120欧姆的1206贴片或插件电阻;D1、D2、D3、D4选贴片或插件的1N4148开关二极管;R15-R26依据对应主芯片端口的实际情况可选,选用5.1K的普通贴片或插件电阻。4.5RS-485通信电路的可靠性设计3规范编号:QMN-J33.230-2009事实上,虽然RS-485规范的定义里只定义了一个双线通信链路,但是在实际使用中,我们可以利用一条或者两条这样的链路来建立实用的通信网络,也就是说,RS-485可以很好的支持半双工和全双工的通信模式。一般的,对于一条这样的链路,网络的拓扑结构采用终端匹配的总线型结构。而不支持常见的星型或者环形结构。485总线的网络配置实际上对通信的可靠性是影响巨大的,特别是在通信距离的延长和通信数据传送速率或者说通信所用波特率的提高之后,不良影响会越来越严重。下图2中的(1、(2、(3是一些常见的错误的连接方案,其中的小圆圈代表一个接收/发UART是在每个数据位的中点采样数据的,只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。有一条经验性的准则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配:当信号的转换时间(上升或下降4美的家用空调国内事业部设计规范规范编号:QMN-J33.230-2009时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns,典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns(24AWGPVC电缆,那么只要数据速率在250kbps以内、电缆长度不超过16米,采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。当考虑终端匹配时,有多种匹配方案可以选择。常用的、最简单可靠的匹配方式,就是在总线两端各接一只阻值等于电缆特性阻抗的电阻(图3A。大多数双绞线特性阻抗大约在100Ω至120Ω之间,但该匹配方式有一个缺点,那就是匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统不太适合,目前美的家用空调485通信电路基本都是使用此匹配方式。比较省电的匹配方式就是RC匹配,如图3B示,利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折衷。另外,还有一种采用二极管的匹配方案(图3C。这种方案虽未实现真正的"匹配",但它利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号,达到改善信号质量的目的,节能效果显著。+5VD61N4148D51N4148RRCD81N4148D71N41483A3B3C5美的家用空调国内事业部设计规范规范编号:QMN-J33.230-2009B图5A芯片内部自带隔离方案VCCDIRE/DEROAB图5B使用TVS管的旁路保护方案VCCDIRE/DEROVDDAB8美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.230-2009图5C隔离芯片并结合使用TVS管的旁路保护方案4.6PCB电路设计注意事项实际设计中，485通信芯片应尽量靠近主芯片放置，主要是提高通信的可靠性，对于多节点之间的通信连接线组建议使用双绞线或带屏蔽的线组。当各节点的的跨距较远，尤其是不同的整机之间进行485通信时，终端必须设计网络的瞬态保护电路，防止485芯片被外界瞬态电压损坏，保护器件一般选择TVS管，目前美的确认的TVS管有：202301610603压为6.8V，线路极限工作电压为5.8V。P6KE6.8A，瞬态耗散功率为600W，动作电本标准由家用空调事业部技术研发中心技术管理室标