項目4控制電路設計任務2RS-485接口電路設計任務描述本任務要求設計用于RS-485通信的接口電路。作為一種應用廣泛的串行通信標準，RS-485接口常用于遠距離高速數(shù)據(jù)傳輸。任務的目的是設計一種能夠穩(wěn)定、可靠地進行通信的電路應用于隔離控制器與上位機的通信，并且要符合特定的技術(shù)規(guī)范和性能要求。知識儲備

一、串口通信1.串口通信簡介串行通信技術(shù)，是指通信雙方按位進行，遵守時序的一種通信方式。串行通信中，將數(shù)據(jù)按位依次傳輸，每位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時間長度，即可使用少數(shù)幾條通信線路就可以完成系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串行通信多用于系統(tǒng)間通信（多主控制系統(tǒng)）、設備間（主控設備與附屬設備）、器件間（主控CPU與功能芯片）之間數(shù)據(jù)的串行傳送，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。2.串行通信特點數(shù)據(jù)在單條一位寬的傳輸線上，一比特接一比特地按順序傳送的方式稱為串行通信。在并行通信中，一個字節(jié)（8位）數(shù)據(jù)是在8條并行傳輸線上同時由源傳到目的地；而在串行通信方式中，數(shù)據(jù)是在單條1位寬的傳輸線上一位接一位地順序傳送。這樣一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。由此可見，串行通信的特點如下。2.串行通信特點（1）節(jié)省傳輸線，這是顯而易見的。尤其是在遠程通信時，此特點尤為重要。這也是串行通信的主要優(yōu)點。（2）數(shù)據(jù)傳送效率低。與并行通信比，這也這是顯而易見的。這也是串行通信的主要缺點。2.串行通信特點串口通信和并口通信如圖4-12和圖4-13所示，可以看出之間的區(qū)別。2.串行通信特點把串口通信和并口通信的比較，見表4-2。3.串口通信電平串行接口有同步串口(USRT)和異步串口(UART)，其中通用異步收發(fā)傳輸器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)，通常稱作UART。UART負責處理數(shù)據(jù)總線和串行口之間的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并規(guī)定了幀格式；通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，就能在未共享時鐘信號的情況下，僅用兩根信號線(Rx和Tx)就可以完成通信過程。3.串口通信電平UART通信時可以有不同的電平標準，常用的電平標準有TTL、RS-232、RS-422、RS-485等。電平標準(電信號)并非通訊協(xié)議，僅是關于UART通訊的一個機械和電氣接口標準(頂多是網(wǎng)絡協(xié)議中的物理層面)。MCU等控制器執(zhí)行UART程序，串行數(shù)據(jù)會通過硬件電路在設備間進行收發(fā)，硬件電路要遵循一個電平標準才能實現(xiàn)設備間的交互。3.串口通信電平從機械接口標準上看，RS-232、RS422、RS-485如圖4-14所示。3.串口通信電平（1）TTL電平。TTL電平規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。這樣的數(shù)據(jù)通信及電平規(guī)定方式，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)。TTL電平往往用于短距離的數(shù)據(jù)交換，抗干擾能力差。3.串口通信電平（2）RS-232。RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號。RS-232是對電氣特性以及物理特性的規(guī)定，只作用于數(shù)據(jù)的傳輸通路上，它并不內(nèi)含對數(shù)據(jù)的處理方式。RS-232標準是邏輯1為-3V～-15V，邏輯0為+3～+15V。在通信上RS-232標準的傳輸距離和抗干擾能力都要優(yōu)于TTL電平標準。3.串口通信電平（3）RS-485。RS-232接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，RS-485被設計為可實現(xiàn)多設備聯(lián)網(wǎng)。RS-485的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～-6V，是另一個邏輯狀態(tài)，信號地為C。在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。3.串口通信電平（4）RS-422。RS-422的電氣性能與RS-485完全一樣。主要的區(qū)別在于：RS-422有4根信號線：兩根發(fā)送、兩根接收。由于RS-422的收與發(fā)是分開的所以可以同時收和發(fā)(全雙工)，也正因為全雙工要求收發(fā)要有單獨的信道，所以RS-422適用于兩個站之間通信，星型網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)，不可用于總線網(wǎng)。RS-485只有2根信號線，所以只能工作在半雙工模式，常用于總線網(wǎng)。二、RS-485通信1.RS-485簡介智能儀表隨著80年代初單片機技術(shù)的成熟而發(fā)展起來，智能儀表滿足了企業(yè)信息化的需要,而企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。儀表常用接口是RS232接口，但這種接口只能實現(xiàn)點對點的通信方式，不能很好地支持聯(lián)網(wǎng)，隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。1.RS-485簡介RS232和RS485之間是可以通過器件轉(zhuǎn)換的，如圖4-15所示。1.RS-485簡介電子工業(yè)協(xié)會于1983年在RS-422工業(yè)總線標準的基礎之上，制訂并發(fā)布了RS-485總線工業(yè)標準。標準能夠有效支持多個分節(jié)點和通信距離遠，并且對于信息的接收靈敏度較高等特性。RS-485又名TIA-485-A,ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。一般主要用于與外部各種工業(yè)設備進行信息傳輸和數(shù)據(jù)交換，具備的對于噪聲的有效抑制能力、高效的數(shù)據(jù)傳輸速率與良好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅芤约翱蓴U展的通信電纜的長度。RS-485總線在諸多個領域得到了廣泛的應用，比如在工業(yè)控制領域、交通的自動化控制領域和現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡等。2.RS-485連接RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。連接RS-485通信鏈路用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。很多情況下，只連接A和B線，地線C往往被忽略，這樣也能工作。2.RS-485連接在使用RS-485通信時，如果忽略了信號地的連接，會有很大的隱患。（1）共模干擾。RS-485接口由于采用差分方式傳輸信號方式，其實并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了，但容易忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7到+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡才能正常工作；當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口；2.RS-485連接（2）EMI（ElectromagneticInterference）的問題。發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分是需要一個返回通路的，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像天線一樣向外輻射電磁波。2.RS-485連接通常情況下，RS-485通信可以使用三種電纜。在低速、短距離、無干擾的場合可以采用普通的雙絞線，如圖4-16所示，但在高速、長線傳輸時，則必須采用阻抗匹配（一般為120Ω）的RS485專用電纜。在干擾惡劣的環(huán)境下還應采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜。2.RS-485連接從傳輸距離上看，在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線路，從RS485接口到負載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢?，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等因素所影響。理論上，通信速率在00Kbps及以下時，RS485的最長傳輸距離可達1200米，實際應用中傳輸?shù)木嚯x也因芯片及電纜的傳輸特性而有所差異。實際在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大，以增加傳輸距離。2.RS-485連接RS-485的網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡如圖4-17所示。2.RS-485連接在構(gòu)建網(wǎng)絡時，應注意如下幾點：（1）采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。（2）應注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。應該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。（3）終端負載電阻問題，在設備少距離短的情況下不加終端負載電阻整個網(wǎng)絡能很好的工作，但隨著距離的增加性能將降低。2.RS-485連接一般終端匹配采用終端電阻方法，RS-485應在總線電纜的開始和末端都并接終端電阻，終端電阻可取120Ω。（此外也有RC匹配或二極管匹配的方式）。理論上，在每個接收數(shù)據(jù)信號的中點進行采樣時，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。實際上，當信號的轉(zhuǎn)換時間（上升或下降時間）超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。3.RS-485的特性總結(jié)（1）電氣特性。邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。（2）通信速率。數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps、抗噪聲干擾性好。3.RS-485的特性總結(jié)（3）傳輸距離。最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米(理論上的數(shù)據(jù)，在實際操作中，極限距離僅達1200米左右）（4）設備數(shù)量?？偩€上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以方便地建立起設備網(wǎng)絡。RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡一般只需二根連線，所以RS485接口習慣采用屏蔽雙絞線傳輸。課堂思考RS-485總線上能否接上全部128個收發(fā)器？設備數(shù)量可能受什么條件制約？三、RS-485收發(fā)器電路設計常見的串口RS-232標準因為通信距離短、速率低，所以不適于該通信系統(tǒng)，而RS一485標準則很好地彌補了這方面的缺陷。在RS485通信網(wǎng)絡中，通常會使用485收發(fā)器來轉(zhuǎn)換TTL電平和RS485電平。在RS485通信網(wǎng)絡中，通常會使用485收發(fā)器來轉(zhuǎn)換TTL電平和RS485電平。如圖4-18所示，是485收發(fā)芯片的邏輯框圖。三、RS-485收發(fā)器電路設計RS-485收發(fā)器有2個使能端（/RE,DE），將接收使能端接地，發(fā)送使能端由MCU控制，主機空閑時一直處于接收狀態(tài)，而當需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候使能發(fā)送端即可。為了實現(xiàn)總線的監(jiān)聽，可將串口接收端通過施密特觸發(fā)器接至MCU的外部中斷引腳，這樣可通過中斷來判斷總線是否忙。節(jié)點中的串口控制器使用RX與TX信號線連接到485收發(fā)器上（R,D），而收發(fā)器通過差分線（A,B）連接到網(wǎng)絡總線。三、RS-485收發(fā)器電路設計串口控制器與收發(fā)器之間一般使用TTL信號傳輸，收發(fā)器與總線之間則使用差分信號來傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時串口控制器的TX信號經(jīng)過收發(fā)器轉(zhuǎn)換成差分信號傳輸?shù)娇偩€上；接收數(shù)據(jù)時，收發(fā)器把總線上的差分信號轉(zhuǎn)化成TTL信號通過RX引腳傳輸?shù)酱诳刂破髦?。通常在這些節(jié)點中只能有一個主機，剩下的全為從機。三、RS-485收發(fā)器電路設計在總線的起止端分別加一個120歐的匹配電阻，以保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。如圖4-19所示。三、RS-485收發(fā)器電路設計隔離控制器中使用6LB184作RS-485轉(zhuǎn)換器，電路如圖4-20所示。三、RS-485收發(fā)器電路設計圖中使用6LB184作MCU與RS-485總線通信的接口芯片。圖中F1和F2是自恢復保險絲，可以用120mA的，D21、D22、