【導讀】RS-485自動收發(fā)電路比帶控制腳電路在應用上少一個I/O腳，在主控資源緊張時會更受歡迎。那么自動收發(fā)電路是怎么實現(xiàn)自動收發(fā)功能以及在選用偏置電阻與終端電阻時需考慮什么因素呢？
RS-485自動收發(fā)原理
常見RS-485自動收發(fā)電路簡圖如圖1所示，將收發(fā)器接收使能腳RE和發(fā)送使能腳DE短接在三極管Q1的集電極，發(fā)送端DI和三極管Q1發(fā)射集接地，MCU的TXD接在三極管Q1的基極。以下是自動收發(fā)電路工作的過程。
當MCU通過TXD發(fā)送0時，三極管Q1截止，DE使能，因為DI接地，此時發(fā)送低電平；
當MCU通過TXD發(fā)送1時，三極管Q1導通，RE使能，此時收發(fā)器的DI引腳與AB端之間為高阻狀態(tài)，因為有AB的上下拉電阻的存在，此時總線邏輯狀態(tài)為1，該節(jié)點進入接收模式和發(fā)送高電平模式。
圖1 RS-485自動收發(fā)電路簡圖
偏置電阻與終端電阻的作用
RS-485總線的偏置電阻主要是給A、B確定的邏輯狀態(tài)，我司RS-485自動收發(fā)產品內部都帶有上下拉電阻，用戶可以根據(jù)實際應用環(huán)境如邏輯1電平幅值低等原因，選擇外加一個較小阻值的上下拉電阻來提升驅動能力，該電阻與模塊內部 A/B 線自帶上下拉電阻是并聯(lián)的。
RS-485總線的終端電阻主要是用于信號線的阻抗匹配、提供通信線纜寄生電容能量的泄放路徑、提高信號質量。我們常用的RS-485的屏蔽雙絞線的差分特性阻抗為100Ω~150Ω，由于RS-485收發(fā)器輸入阻抗較高（RSM485PHT的輸入阻抗最小為1/4單位負載即48kΩ），在信號傳輸?shù)娇偩€末端時由于接收的瞬時阻抗發(fā)送突變，導致信號發(fā)送反射，同時若通信距離遠線纜寄生電容較大，能量泄放緩慢。這時我們需要選用終端電阻來消除或降低此情況對通信信號的影響。
因為RS-485自收發(fā)電路總線端的邏輯1是通過AB的偏置電阻來提供，其驅動能力要弱于推挽方式，因此自收發(fā)電路選用的終端電阻值一般偏大并且一般會再加小的偏置電阻來調節(jié)總線的電壓。
理想的RS-485總線電平
通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的邏輯電平1位于+2～+6V，邏輯電平0位于-2～-6V。接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定，通常情況下當接收端AB之間電平大于+200mV時，輸出邏輯電平1，小于-200mV時，輸出邏輯電平0，見下圖2。空閑時刻A、B差分電平應處于邏輯1。
圖2 RS-485邏輯電平圖
考慮到線阻及信號的抗擾能力，通信時我們一般會使總線端的邏輯1電平盡可能遠離+200mV，邏輯0電平盡可能遠離-200mV。數(shù)據(jù)波形的上升沿和下降沿盡可能地陡峭，同時波形沒有過沖或振鈴等。如下圖3所示為較為理想的RS-485通信波形圖。
圖3 較理想的RS-485通信波形圖
偏置電阻的選用
本文以我司自收發(fā)產品RSM485PHT為例進行說明，該產品內置完整的DC-DC電路、信號隔離電路，具有較強的抗擾性和高可靠性，具備自動收發(fā)功能。該產品的A、B線內置47kΩ的上、下拉電阻，收發(fā)器輸入阻抗最小值為48kΩ。
本次測試的硬件框圖如圖4所示，在通信速率為500kbps、總線上掛6個通信節(jié)點、雙絞線總長度約為3m的情況下，抓取總線波形如圖5所示，邏輯1的差分電壓約為1.60V。
圖4 RSM485PHT組網通信框圖
圖5 3m雙絞線、500kbps時VAB波形
下圖為本次RSM485PHT測試的電阻分壓等效圖，當總線上有6個節(jié)點進行通信時，相當于6個R上、6個R下、6個R內并聯(lián)，此時VAB高電平電壓計算值為VAB=(R內/6)/(R上/6+R內/6+R下/6)*VCC，取VCC=5.1V，VAB=1.72V。考慮到線阻的分壓，此計算值1.72V與實測波形幅值1.60V基本吻合。
圖6 RSM485PHT電阻分壓等效圖
因為總線端邏輯1電平幅值僅有1.6V左右，該幅值的抗擾能力相對較弱且影響了通信距離的進一步拉長，現(xiàn)考慮通過外加偏置電阻將總線幅值抬高至3.5V左右。通過公式VAB=(R內/6)/(R上等效+R內/6+R下等效)*VCC，可計算出R上等效=R上等效≈2.75kΩ，外加上下拉電阻值約為4.1kΩ。如圖7所示為外接3.5kΩ上下拉電阻時總線的通信波形圖（外加偏置電阻增加功耗約為5.1V/3.5k≈1.4mA，在可接受的范圍內），因為實焊偏置電阻值3.5kΩ小于4.1kΩ，實際總線邏輯1幅值為3.92V高于預設值3.5V。
圖7 外加3.5kΩ偏置電阻時差分波形圖
接入終端電阻120Ω*2
在上述接入3.5kΩ上下拉電阻的環(huán)境下再接入120Ω的終端電阻，此時電阻分壓等效圖6中的R內等效≈60Ω，將各數(shù)值代入VAB=(R內等效)/(R上等效+R內等效+R下等效)*VCC，計算得出電壓約為60mV，測試波形如圖8所示。此時高電平處于門限-200mV~+200mV門限內，收發(fā)器無法識別邏輯1，造成通信錯誤。
圖8 接入120Ω終端時差分波形圖
總結
在使用我司自動收發(fā)模塊RSM485PHT或RSM485M時，如果總線邏輯1電平較低可通過外接偏置電阻來調節(jié)總線電平，偏置電阻值過小將增加額外的功耗，電阻值太大調節(jié)效果將不明顯。偏置電阻值可以根據(jù)實際節(jié)點數(shù)量算出等效電阻值，再代入阻抗分壓公式（VCC*R內等效）/（R上等效+R內等效+R下等效）=VAB計算出，其中VCC可取5.1V，VAB一般取2.5V~4.0V。
具備自動收發(fā)功能的模塊RSM485PHT或RSM485M的總線邏輯1電平是通過AB線的偏置電阻來驅動，其能力弱于推挽驅動，因此一般情況下我們不建議用戶加終端電阻。如果通信速率高、通信距離長，總線信號質量很差，需要加終端電阻來減弱反射信號或提供泄放寄生電容能量的路徑，可以選擇稍大阻值的電阻，并且可以考慮通過在AB線上加小阻值的偏置電阻兩者配合共同來調節(jié)總線的電平。
總的來說在使用自動收發(fā)RS-485進行通信時一定要確保 A/B 線差分電壓不會處于-200mV ~+200mV 范圍內；若邏輯1或邏輯0的差分電平幅值較低，可以通過外加小的偏置電阻來進行調整；一般情況下不建議用戶接終端電阻，如果要接盡量選擇較大的阻值同時與外接偏置電阻搭配使用。
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