rs485在电表中的应用

APP 3776 Mar 03 2006 Maxim Dallas 设计资料库 应用笔记 热插拔与电源开关电路 综合电路 通信电路 高速互连 关键词 AMR 自动读表 RS485 电表应用 仪表接口 隔离型 RS485 电表接口 相关型号 下载 PDF 格式 78kB 应用笔记应用笔记 3776 电表应用中电表应用中 RS 485 收发器的设计考虑收发器的设计考虑 自动抄表技术为电表提供一个通信端口 以电子方式远程读取数值 本应用笔记讨论Maxim RS 485收发器的不同特性 这些特性使 RS 485收发器非常适合用于电表通信端口 自动抄表技术在电表应用中越来越流行 该技术为电表提供通信端口读取数据 而且大部分情况下采用远程读数方式 对于电表应用 来说既安全又节省了时间和金钱 实现该技术的关键是确保通信链路安全可靠 RS 485 是一种简单 廉价而且可靠的通信规范 可 理想用于自动抄表系统 本文讨论 Maxim RS 485 收发器的各种特性 这些特性使 RS 485 收发器成为电子式电能表的理想选择 图1 采用RS 485端口的电表结构图 图图 1 所示为采用 RS 485 端口的电表结构图 通过光耦合器和变压器 端口与 MCU 和模拟前端之间实现了电气隔离 隔离功能可有 效保护电路不受 RS 485 传输线上浪涌电流的损害 电缆断开时 A B 线的上拉和下拉电阻决定接收器的状态 使用这些电阻能够在电缆断开时使接收器输出一直保持高电平 由此带来 很多益处 图 1 系统中 IrDA 电路有一个开漏输出 电缆断开时 如果 RS 485 收发器错误的将线路拉低 光耦合器输出晶体管将 会接通 使总线保持低电平 禁止开漏 IrDA 模块和 MCU 之间的任何通信连接 电缆断开时产生一个高电平输出 系统可以在同一 UART 总线上使用其它开漏输出器件 当 RS 485 总线与电力线 例如 220VAC 短路时 PTC 和 TVS 可提供差模过压保护 反激变压器的附加绕组为隔离电路供电 图 1 中 反激转换器有两路输出 第一路为 MCU 和模拟前端供电 第二路进行电气隔离 为 RS 485 端口供电 如果上述反激电源配合后备电池使用 MCU 的供电电源 图中的 VCC 实际经过了 二极管或操作 这意味着 电池供电时 不存在隔离的 isolated VCC 因此 RS 485 电路没有 接通 所以电表在断电期间不能进行通信 也无法通知已经 停电 以下列出了 Maxim RS 485 收发器的特性 这些特性可以帮助提高并简化电表中 RS 485 端口的设计 关于支持这些特性的所有器 件的详细信息 请参考 MAX3070E 3 3V 或 MAX13085E 5V 数据资料 失效保护失效保护 RS 485 标准定义信号阈值的上下限为 200mV 但没有规定电平范围 在以下三种情况下 这会带来一定的问题 1 总线上的所有收发器都没有工作 因此出现了高阻态 这意味着总线上的终端电阻导致接收器输入之间的差分电压是 0V 2 RS 485 总线出现短路 线路之间的电压也会出现 0V 3 出现开路或没有连接电表时 差分电压也是 0V 这是因为收发器本身在输入之间具有高阻 迫使出现 0V 上述三种情况下 差分电压均为 0V 然而 RS 485 规范定义 0V 是不确定电压 这意味着接收器输出可以是高电平 也可以是低电 平 甚至在高电平和低电平之间振荡 Maxim 的失效保护接收器规定接收器阈值在 50mV 和 200mV 之间 从而解决了这一问题 这要比 RS 485 规定的阈值严格一些 因此也符合该规范 利用这一优势将 0V 差分电压定义为已知状态 避免了上述三种情况带来 的问题 这样 电表硬件工程师可以不必采用图 1 所示的两个偏置电阻 摆率限制摆率限制 由于大部分电表的数据速率在 1kbps 和 19 2kbps 之间 没有必要采用很快的边沿速率 因为这样只会带来不必要的辐射 通过控制 RS 485 收发器驱动电路的边沿速率 可以降低高频辐射 较低摆率还降低了不恰当的终端匹配和接头产生的误码 参见图图 2 和图图 3 图2 MAX3485E MAX3490E MAX3491E传输125kHz信号时驱动电路的输出波形和FFT曲线 MAX3485E MAX3490E MAX3491E 没有摆率限制 能够支持更高的数据速率 然而 较高数据速率要求较快的边沿速率 因而产 生较大的高频谐波 这些谐波增加了 EMI 辐射 也限制了系统对不恰当的终端匹配的承受能力 图3 MAX3483E MAX3488E传输125kHz信号时驱动电路的输出波形和FFT曲线 MAX3483E 和 MAX3488E 对摆率加以限制 因此 最大数据速率降至 250kbps 甚至更低 这对于电表应用已经足够了 摆率的降 低也限制了高频谐波 不但减小了 EMI 而且解决了不恰当的终端匹配所带来的问题 热插拔热插拔 在多点系统中 例如 RS 485 保证只有一个发送器工作非常关键 如果两个或多个发送器处于工作状态 将会出现总线竞争 导致误码 通过软件可以部分解决总线通信中的误码问题 但是硬件工程师应首先避免出现这些误码 Maxim 的热插拔特性解决了总 线竞争时出现的两种常见问题 1 收发器在已经工作的总线上首次上电 2 在已经工作的系统中带电插入收发器卡 这两种情况下 驱动 RS 485 收发器的微控制器 C 将重新复位 大量 C 使其 I O 口进入三态 一旦软件开始运行 微处理器引脚 将最终配置为合适的状态 但在初始上电与引脚正确配置完成之间会出现问题 主要问题是 RS 485 收发器的发送使能 DE 引脚将 看到 一个逻辑高电平 出现这一问题是由于噪声或漏电流将三态引脚上拉至高电平 Maxim 的热插拔电路通过两个步骤解决这一问题 在第一个 10 s 期间 RS 485 收发器上电 通过 5k电阻的 600 A 强下拉电流 将 DE 引脚拉低 强下拉电流使 DE 引脚的所有电容放电 10 s 后 采用 100 A 下拉电流保持逻辑低电平不受漏电流和噪声的影响 在外部电源将 DE 引脚拉高之前 100 A 的下拉电流将一直保持有效 一旦引脚出现高电平 关闭 100 A 电流源 RS 485 收发器 正常工作 参见图图 4 这一特性确保 RS 485 收发器的发送器为三态 避免总线竞争 图4 Maxim DE引脚的热插拔电路简化框图 增强增强ESD保护保护 ESD 是所有半导体器件普遍存在的问题 RS 485 收发器也不例外 Maxim 产品采用符号 E 表示器件具有增强的 ESD 保护 MAX3070E 和 MAX13085E 能够承受 15kV 的人体模式 HBM 静电冲击 隔离隔离 MAX3535 是单片隔离型 3 3V 或 5V 供电 RS 485 收发器 包括容性隔离 集成了 RS 485 收发器 内部 H 桥接驱动电路配 合外部商用化变压器 在 16 引脚 SO 封装内实现了单片隔离的 RS 485 方案 由于不必在反激电源中采用额外绕组 也不必采用光 耦合器 因此大大降低了设计难度 另外 由于 MAX3535 是自供电 当电表采用电池供电时 RS 485 端口也能正常工作 MAX3535E 还提供热插拔 失效保护 ESD 保护以及摆率限制等功能 图图 5 图5 MAX3535E的典型应用电路 电子式电表已经生产多年 而自动抄表则是最近一年出现的新增功能 Maxim 的 RS