RS485方向切換的方案分析

RS485作為常見的總線之一，幾乎每個工控設(shè)備都在用，我們也對其熟悉不過了。我們都知道RS485雙半雙工通信，其CPU內(nèi)部的根源是串口通信，串口通信是區(qū)分發(fā)送TX和接收RX的，在同一對差分信號線上同時傳輸TX、RX，就是進(jìn)行方向的控制，方向的控制時機(jī)不對，數(shù)據(jù)傳送是要出問題的。

例如下圖1、圖2中，CPU端的TX信號發(fā)送完畢后約100uS后方向引腳 拉低，切換到接收狀態(tài)，但是在TX信號發(fā)送完畢后60uS從機(jī)就回復(fù)了的RX信號，由于此時還是處于RS485芯片還是處于發(fā)送狀態(tài)，此時的接收數(shù)據(jù)將會被忽略，在系統(tǒng)層面就是體現(xiàn)為數(shù)據(jù)接收丟包。

圖1RS485接口電路 有些讀者會可能會想，只要從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)晚一些，不要這么快速回復(fù)，就不存在這個問題了。但是從機(jī)一般都是客戶的機(jī)器，我們幾乎不可能要求別人更改回復(fù)時間。例如三菱的Fx3U PLC作為從機(jī)時，從主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束到從機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)，只用了60uS，部分控制板，甚至回復(fù)時間在10uS以內(nèi)。 研究RS485的方向切換的目標(biāo)就是：RS485總線空閑時要處于接收狀態(tài)，如果有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則置高方向引腳，發(fā)送完成及時切換到接收狀態(tài)。

圖2 方向腳切換時間過長的情形

一、RS485方向切換的方案1：使用反相器自動切換

大部分的低成本RS232-RS485轉(zhuǎn)換器采用了這種方法。具體的實現(xiàn)方法是:把串口的發(fā)送信號TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來控制RS485收發(fā)器的收發(fā)控制引腳,同時在RS485收發(fā)器的A/B輸出端加上上拉/下拉電阻,具體電路如圖3所示。

圖3 使用反相器自動切換電路 在空閑狀態(tài)下,串口的發(fā)送信號TXD為高電平,經(jīng)過反相器后輸出低電平,使485芯片處于接收狀態(tài),而RS485總線由于上下拉電阻的作用處于A高B低的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，TXD信號線上的低電平比特位控制485芯片進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),將該比特發(fā)送出去。而高電平比特位則使485芯片處于接收狀態(tài),由于RS485總線上下拉電阻把總線置于A高B低的狀態(tài),即表示發(fā)送了高電平。 簡單說，這種電路，就是發(fā)送低電平時，485芯片是 發(fā)送狀態(tài)，而發(fā)送高電平時，485芯片屬于接收狀態(tài)。 優(yōu)勢：只需要增加一個反相器就可以實現(xiàn)，無需軟件的干預(yù)，反相器可以使用一個三極管即可以實現(xiàn)，成本十分低廉（幾分錢）； 劣勢：由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會影響正常發(fā)送的數(shù)據(jù)電平。所以這種換向模式在發(fā)送高電平時的驅(qū)動能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數(shù)據(jù)先切換方向，但是由于方向引腳經(jīng)過了反相器，達(dá)到芯片的時間變長了，比數(shù)據(jù)晚到，所以速率太高的情況容易丟包。如果需要驅(qū)動多個從設(shè)備，就會顯得力不從心，并且驅(qū)動能力太弱，只能短距離傳輸；并且傳輸速度不能太快，一般使用9600bps。

二、RS485方向切換的方案2：使用軟件控制方向

市面上大部分的內(nèi)置RS485的產(chǎn)品基本都是采用此類的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的 實現(xiàn)方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態(tài)，在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)之前，MCU會拉高RS_EN，U1處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送完畢之后，RS_EN重新處于低電平，U1處于接收狀態(tài)。

圖4 使用軟件控制方向切換 此類方案的關(guān)鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時機(jī)，假設(shè)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，沒有及時切換到接收狀態(tài)，而此時從機(jī)又回復(fù)數(shù)據(jù)，此時就會引起丟包，就會出現(xiàn)文章開頭圖2中的情形。不幸的時，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運行操作系統(tǒng)（Linux、WIndows等）以后，想要十分準(zhǔn)確控制方向引腳的高低電平已經(jīng)十分困難。 優(yōu)勢： 無需增加任何的硬件成本，且RS485的驅(qū)動能力不受影響。 劣勢： 依賴于軟件控制方向引腳，如果運行復(fù)雜的操作系統(tǒng)，控制引腳的優(yōu)先級不夠高，或者軟件的優(yōu)化的不夠好，都會導(dǎo)致方向引腳的切換不及時，到時數(shù)據(jù)的丟包。并且，是否丟包還取決于從機(jī)的回復(fù)時間，測試過程不一定能夠測試出來。

三、RS485方向切換的方案3：使用觸發(fā)器控制方向

為了克服反相器換向的缺點,出現(xiàn)了一種由RS觸發(fā)器控制的自動換向技術(shù),如圖5所示。這個電路的關(guān)鍵是反相器和RS觸發(fā)器之間的由二極管、電阻、電容組成的充放電電路。

在空閑狀態(tài)下,485芯片仍處于接收狀態(tài)。當(dāng)TXD信號線上發(fā)送數(shù)據(jù)的低電平起始位時,反相器輸出高電平,通過二極管為電容迅速充電,使RS觸發(fā)器R端為高電平,S端為低電平,觸發(fā)器輸出高電平,把ISL3152E置于發(fā)送狀態(tài);當(dāng)TXD信號線轉(zhuǎn)換為高電平時,反相器輸出低電平,電容通過電阻緩慢放電,使得R端暫時仍處于高電平狀態(tài),加上S端的高電平狀態(tài),使觸發(fā)器的輸出保持前面的高電平狀態(tài),485芯片仍處于發(fā)送狀態(tài)。

電容經(jīng)過一段時間放電后,R端電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?則觸發(fā)器輸出低電平,把485芯片置回接收狀態(tài)。通過選擇電阻和電容值,我們可以控制放電速度,使得一個低電平的起始位足以在整個字節(jié)發(fā)送。此類方案參數(shù)一致性非常差，實際使用的都是技高人膽大的。

圖5 使用觸發(fā)器切換方向優(yōu)勢： 無需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動能力強（取決于RS485芯片）。 劣勢： 1.增加的器件較多；2.不同的波特率需要匹配不同的RC參數(shù)3.溫度、老化、一致性等問題，會導(dǎo)致RC參數(shù)變化，從而導(dǎo)致切換時間錯亂導(dǎo)致丟包。 四、RS485方向切換的方案4：max13487芯片 為了克服軟件參與的方向控制不確定性，美信公司發(fā)布了宣稱首款支持芯片自動換向的RS485芯片，如下圖6，對比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引腳有兩個用于： （1）/RE為低電平時，打開RO方向的接收數(shù)據(jù)。（2）/RE為高電平時，芯片進(jìn)入自動方向切換模式。 一般使用我們將/RE連接高電平，即自動換向模式。

圖6 MAX13487 內(nèi)部框圖

由于美信沒有公布內(nèi)部的邏輯原理，只描述內(nèi)部有一個狀態(tài)機(jī)，我們只能外部猜測其工作原理：

1.空閑模式下，數(shù)據(jù)流方向為RO方向；此為狀態(tài)1；2.當(dāng)串口端有數(shù)據(jù)發(fā)送時，由于起始位為低電平，經(jīng)過邏輯功能D后，A＜B，經(jīng)過COM3.邏輯功能且反相后，RI為高電平。此狀態(tài)為數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)2。4.經(jīng)過一系列的邏輯運算（以RI、DI為輸入，但是不知道其內(nèi)部的原理）；狀態(tài)機(jī)檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，芯片變成接收狀態(tài)1。 優(yōu)勢：由芯片自動切換方向，無需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動能力強，通信速率高，MAX13488 宣稱最高可以到16Mbps，與普通的RS485芯片性能一樣。 劣勢：價格比普通的RS485芯片貴一倍以上。 五、RS485方向切換的方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT 周立功公司將RS485的三個相關(guān)的功能模塊：DC電源、隔離、RS485芯片三合一，封裝在同一個芯片內(nèi)部，由于沒有內(nèi)部的資料，我們無法獲知其內(nèi)部的邏輯功能。官方資料宣稱最高速率可以達(dá)到500Kbps，對于一般的應(yīng)用足以。 優(yōu)勢：由芯片自動切換方向，無需軟件干預(yù)切換方向，驅(qū)動能力強，通信速率高，DC電源、隔離、RS485芯片功能三合一，節(jié)省板卡空間。 劣勢：價格比分立器件搭建RS485電路貴，且一旦損害需要要整體更換。

圖7 RSM(3)485PHT原理圖 六、總結(jié) 上述我們提供了5種RS485自動切換方向的方法：分別是反相器法、軟件控制法、觸發(fā)器法、美信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。 反相器法由于驅(qū)動能力太弱、速率太低，僅適用于要求不高的調(diào)試場合，工控場合慎選。 軟件控制法對軟件的要求較高，特別是帶操作系統(tǒng)的芯片，軟件控制的時機(jī)較困難。觸發(fā)器法由于參數(shù)一致性太差，只適合波特率恒定、速率不高的場合； 美信以及周立功提供的方案已經(jīng)芯片化，經(jīng)過了大量的市場驗證，且有大公司做背書，可靠性、溫度性都有很大的保障，優(yōu)先推薦。

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