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美的家用空调国内事业部设计规范4.5.1网络连接及节点配置规范编号: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/发图2485通信网络节点常见错误连接及改正方案送器单元。连线表示连接总线的电缆,一般我们采用屏蔽双绞线作为这个连接介质。在(4、(5、(6里,我给出了对应于(1、(2、(3的连接改正方案。(1、(2、(3连接方案,虽然在某些情况下,比如很短的距离,对通信速率要求不高,可以采用低速率,而且收发单元也很少等场合,可能可以实现通信。但一旦这些方案用于通信距离长,和通信速率要求高的现场,就可能出现不能通信。主要的原因就是信号在各个支路会发生信号反射,和原信号叠加,造成了信号的不稳定性。另外,由电磁学理论我们知道,反射还可能发生在线路阻抗不连续或者起伏较大的地方,比如不同线路段采用了不同的电缆,某个段连接了很多收发器而另一段却很少,又或者某收发单元到主干总线的连线太长,都可能出现阻抗的不连续,发生信号反射。总线的配置还涉及到连接的收发器数目问题,RS-485总线没有给出一个允许连接的收发器数目的标准规定,但是规定了最大的总线负载容量,那就是最多接32个单位负载,每个单位负载的最大输入电流是1.0mA/-0.8mA,也就是相当于12K。这就给接口芯片一个扩充收发器的可能性,器件生产商通过增大收发器的输入电阻从而达到增加节点数的目的。4.5.2总线匹配是否对RS-485总线进行终端匹配取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率。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。+5VD61N4148D51N4148RRCD81N4148D71N41483A3B3C图3通信电路终端匹配方案示意图4.5.3节点引出线长度RS-485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线,引出线过长时,由于信号在引出线中的反射,也会影响总线上的信号质量。和前面的讨论一样,系统所能允许的引出线长度也和信号的转换时间、数据速率有关。下面的经验公式可以用来估算引出线的最大长度:Lmax=(tRISE×0.2m/ns/10以MAX483为例,对应于250ns的上升/下降时间,总线允许的最大引出线长度约为5米。5美的家用空调国内事业部设计规范规范编号:QMN-J33.230-2009从以上的分析可以看出，减缓信号的前后沿斜率有利于降低对于总线匹配、引出线长度的要求，改善信号质量，同时，还使信号中的高频成分降低，减少电磁辐射，因此，有些器件生产厂商在RS-485接口器件中增加了摆率限制电路来减缓信号前后沿，但这种做法也限制了数据传输速率。由此看来，在选择接口器件时，并不是速率越高越好，应该根据系统要求，选择最低速率的器件。4.5.4失效保护RS-485标准规定接收器门限为±200mV。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力，但同时也带来了一个问题：当总线电压在±200mV中间时接收器输出状态不确定。由于UART以一个前导"0"触发一次接收动作，所以接收器的不定态可能会使UART错误地接收一些数据，导致系统误动作。当总线空闲、开路或短路时都有可能出现两线电压差低于200mV的情况，必须采取一定措施避免接收器处于不定态。传统的做法是给总线加偏置，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态（差分电压≥200mV）。但这种方法仍然不能解决总线短路时的问题，为此，有些器件制造商将接收门限移到-200mV/-50mV，巧妙地解决了这个问题。例如Maxim公司为MAX3080系列RS-485接口，不但省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。4.5.5地线与接地对于电子系统的设计。我们知道电源和接地问题是一个非常关键的问题，如果处理不好，经常导致不能稳定的工作甚至危及系统安全。对于一个可靠的RS-485系统也是这样。因为在RS-485的规范中只是强调了用两根双绞线实现系统的通信线路A(+和B(-，受此影响。一个错误的观点是认为RS-485链路不需要信号地，只要把A和B线路用两个双绞线连起来就行了，因为RS-485接口是用差分方式传输信号的，并不需要相对于某个参照地来检测信号，系统只需要检测两线间的电位差就可以了。无可否认在某些情况下这是可以工作的，但是也给系统留下了很大的隐患。一个问题就是共模干扰，注意到收发器只有在共模电压不超过一定的范围（-7V~+12V）图4共模干扰模型VCM=Vos＋VGPD条件下才能正常工作，所以当共模电压超出这个范围时通信的可靠性就受到考验了。严重的话还可能烧毁接口。如图4给出的模型，发送器A对发送器B发数据时，输出的共模电压为Vos，A如果A、是不共B地的话。那么就可能存在地电位差VGPD。那么接收器B输入的共模电压就会达到VCM=Vos＋VGPD。RS-485标准规定Vos≤3V，但是注意到VGPD可能会有很大的幅度（甚至几十伏特）且可能伴有强的干扰信号，这样B接收端输入VCM就有可能超出正常范围，在信号线上引入干扰电流，影响通信甚至烧6美的家用空调国内事业部设计规范毁电缆。规范编号：QMN-J33.230-2009除了共模干扰，还有一个就是电磁辐射（EMI）对总线的影响，驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果系统没有接地的回路，共模信号没有一个低阻的回路，就会以电磁辐射的方式返回源端，整个总线就像一个长天线一样向外辐射电磁波。这样造成的信号损失和信息泄漏是很严重的。接地的措施其实很多，不过这些措施与共模干扰的频率和干扰源的内阻有关，4给出了一些不同图情况下可考虑的措施：图5485通信电路的接地方案（1）：干扰源内阻大，直接加一低阻信号地线；（2）：干扰源内阻小，在（1）的基础上可以在信号地回路中加电阻，不过注意到这可能会增大共模电压，R1、R2的取值要控制好，不能影响通信；（3）：浮地接法，当干扰源内阻实在太小，这种方法是可行的，因为隔断了接地回路，形成的环路电流不会很大；（4）：如果在（3）情况下，信号地和大地或机壳不能隔断，那这种电气隔离的方法是可行的。当然，以上所述的各种情况都是在低频率的情况下适用，如果是高频瞬态干扰就不能这样考虑了。因为引线有电感，这个接地回路对瞬态干扰等于开路，瞬态干扰的产生我们可以想象得到，系统周边的别的大功率感性器件，如电机、变压器、继电器等等，甚至最平常的就是闪电了。采用的措施可以类似图5中的（4）的电气隔离方法。或者用放电管等瞬态抑制器件，总之最终目的就是将瞬态放出的能量引到大地上去。我们通常选用0.001uF的高压电容。C1当然这些都必须根据实际安装的电气环境及布线现场来考虑。4.5.6网络的瞬态保护前面提到的接地措施只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。因为引线电感的作用，对于高频瞬态干扰来讲，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰可能会有成百上千伏的电压，但持续时间很短。在切换大功率感性负载（电机、变压器、继电器等）、闪电等过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。7美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.230-2009图5A所示为隔离保护方案。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离，已有器件厂商将所有这些元件集成在一片IC中，使用起来非常简便，Maxim如公司的MAX1480/MAX1490，隔离电压可以到2500V。这种方案的优点是可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成本较高。图5B所示为旁路保护方案。这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点