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物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信串口接口模塊RS485端口隔離及保護(hù)設(shè)計(jì)

RS485接口采用的是一種差分傳輸方式,各節(jié)點(diǎn)之間的通信都是通過(guò)一對(duì)(半雙工)或兩對(duì)(全雙工)雙絞線作為傳輸介質(zhì)。由RS-485的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,接收器的接收靈敏度為+200mV,即接收端的差分電壓大于等于200mV時(shí),接收器輸出高電平;小于等于200mV時(shí),接收器輸出為低電平;介于±200mV之間,接收器輸出不確定。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好。RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺,實(shí)際上可達(dá) 3000米。RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性,長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)?/span>RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò),一般只需二根連接線,所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

1.485應(yīng)用電路舉例

選用485芯片時(shí),需注意其ESD防護(hù)能力、驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)485總線差分信號(hào)的定義等。

SN65176和SN75176為例,該SN65176B和SN75176B差分總線收發(fā)器是為多結(jié)點(diǎn)總線的雙向數(shù)據(jù)通信的集成電路而設(shè)計(jì)的。該SN65176B和SN75176B結(jié)合了三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)差分輸入線接收器,兩者都工作在5V單電源。驅(qū)動(dòng)器和接收器分別具有高電平和低電平使能,連接在一起作為一個(gè)方向控制的外部功能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器禁用總線或VCC = 0,驅(qū)動(dòng)器的差分輸出和接收器差分輸入連接在內(nèi)部形成差分輸入/輸出(I/O)總線旨在提供最低裝載量的端口。這些端口具有寬的正負(fù)共模電壓范圍,使該設(shè)備適合于串行線應(yīng)用。

該驅(qū)動(dòng)器是專(zhuān)為高達(dá)60mA的電流源設(shè)計(jì)的,該驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是積極的負(fù)限流和熱關(guān)斷線路故障保護(hù)。熱開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)是發(fā)生在一個(gè)溫度約為150°C。接收機(jī)特點(diǎn)是12 KΩ最小輸入阻抗,一個(gè)200毫伏的輸入靈敏度,輸入端為50mV典型滯后輸入。

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SN75176應(yīng)用電路圖所示,第一,A/B線需上拉/下拉,保證總線空閑時(shí),A/B差分信號(hào)仍是確定狀態(tài),避免雜訊影響。上/下拉電阻取得小時(shí),負(fù)載加重,會(huì)影響485總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)量;而取得大,則會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?。一般在?/span>K 到幾十K 之間,具體還在看應(yīng)用電路的需求。比如此電路中上/下拉取值為10K ,在實(shí)際帶載測(cè)試(1200bps)時(shí),485總線上只能掛十幾個(gè)負(fù)載;而換成47K ,則可以掛到一百多個(gè)負(fù)載;但若要在9600bps下通信,則上/下拉要小一些才行。第二,對(duì)地TVS 用作ESD防護(hù)。第三,盡量不要以上/下拉電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載,最好單獨(dú)用一路信號(hào)控制使能端(即P1.0),以充足發(fā)揮IC 的驅(qū)動(dòng)能力。第四,因工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,485總路線上有可能同時(shí)接很多節(jié)點(diǎn),此時(shí)A/B線對(duì)外輸出電流會(huì)比較大,若485芯片前端供電電路輸出不夠,則差分電壓不夠而導(dǎo)致無(wú)法正常通信,因此要保證RS485輸出能力足夠。

2.485端口隔離及保護(hù)

  RS485端口的防護(hù)主要包括靜電防護(hù)(ESD防護(hù))、浪涌防護(hù)和雷擊防護(hù)。雷擊浪涌的最大特點(diǎn)是能量特別大,所以需要用專(zhuān)門(mén)的防護(hù)器件:瞬態(tài)抑制二極管、壓敏電阻和氣體放電管。如圖所示為浪涌通過(guò)不同的抑制器件的電壓波形。

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浪涌通過(guò)不同的抑制器件時(shí)的電壓波形

運(yùn)用這三種防護(hù)器件所做的RS485端口保護(hù),如圖所示。

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RS485端口保護(hù)示例圖

ESD防護(hù):以SN65176和SN75176為例,芯片本身有一定的ESD防護(hù)等級(jí),而系統(tǒng)要求為8KV接觸放電和15KV空氣放電,此時(shí)就需要在A/B線間對(duì)地加TVS來(lái)保護(hù)芯片,即TVS1、TVS2、TVS3。注意TVS管盡量選用高速、低容值、大通流量的,啟動(dòng)電壓和截止電壓選取要恰當(dāng),以防止TVS誤動(dòng)作,而干擾485的正常通信(還要考慮到485總線上的共模電壓部分)。

浪涌防護(hù):以本電路為例,以?xún)陕?/span>PTC(壓敏電阻)+TVS管形成回路,當(dāng)有大的交流電壓灌入時(shí),PTC開(kāi)始發(fā)熱進(jìn)而形成高阻,保護(hù)后續(xù)電路。壓敏電阻(PTC)由金屬氧化物(主要是氧化鋅)材料組成,屬箝位型器件,其特性與兩只背對(duì)背聯(lián)接的穩(wěn)壓管非常相似,有著毫微秒級(jí)的響應(yīng)速度。壓敏電阻對(duì)瞬變信號(hào)的吸收能力與其體積成正比:其厚度正比于電壓;面積正比于電流。壓敏電阻是目前在電子產(chǎn)品中使用最廣泛的浪涌抑制器件。

雷擊防護(hù):工業(yè)級(jí)的DTU都要求產(chǎn)品有雷擊防護(hù),以本電路為例,在A、B線間對(duì)地加GDT和TVS來(lái)保護(hù)電路。在直流電路中氣體放電管的標(biāo)稱(chēng)電壓選擇為工作電壓的1.8倍;在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標(biāo)稱(chēng)電流容量應(yīng)大于被保護(hù)電路的可能最大浪涌沖擊容量。

其實(shí)ESD防護(hù)、浪涌防護(hù)和雷擊防護(hù),主要是靠合適的器件以及合理的PCB Layout來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.485應(yīng)用場(chǎng)景

485端口的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于安防、監(jiān)控、門(mén)禁、智能家居和工業(yè)控制等領(lǐng)域,例如成都億佰特公司的無(wú)線數(shù)傳E800系列DTU,其485端口都是做的工業(yè)級(jí)的隔離和防護(hù),應(yīng)用非常廣泛。

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