零延时RS-485接口电路的设计与应用

根据在研制节能灯寿命检测系统中，实际检测环境传输数据量大，实时性强的特点，对物理总线的拓扑结构和通信协议提出要求。采用零延时RS一485接口电路，逻辑上采用主从式网络结构，物理结构上采用星型网络拓扑结构；设计出一种支持主从式网络结构的485HUB，经过通信协议的帧校验和帧超时的设计，进一步提高软件抗干扰的能力。测试结果表明，系统稳定可靠，抗干扰能力强。
关键词 零延时 RS一485 节能灯寿命检测

1 概述
    RS一485接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线，具有很强的抗共模干扰能力，在适当的波特率下传输距离远；同时易于进行网络扩展，被广泛的应用在很多工业现场。

    节能灯寿命检测环境中，主要干扰来自开关和寿命检测的强电干扰、开关产生的电磁干扰、空气循环设备的干扰等等；同时由于寿命检测环境温度高，强电系统复杂，也给系统的运行提出更高的要求。寿命检测系统要求实时报告每一盏节能灯的运行状态、环境温度、电压等，并在寿终计算出节能灯寿命、光通等参数。可见系统的传输数据量大，实时性强，因此物理总线的拓扑结构和通信协议尤为关键。

2 接口设计
    良好的接口设计，应该在硬件上保证系统有良好的抗干扰性、稳定性和易扩展性。本系统选用了性价比很高的半双工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特点[1]：
    ①满足或超出TIA/EIA-485A标准的要求；
    ②低静态电流消耗——有效模式为小于0.3 mA，关闭模式为l nA；
    ③优化的驱动器输出信号，传输率达200kbps时保持低EMI；
    ④1/8单元负载——1条总线上多达256个节点；
    ⑤总线引脚ESD保护超过16 kv；
    ⑥工业标准SN75176覆盖范围；
    ⑦失效保护功能。
    基于SN65HVD3082的RS-485接口电路，通常有三种方案。

(1)直接控制收发的RS-485接口电路
    此方法使用控制器切换发送使能和接收使能端，控制接口电路数据的发送和接收。由于采用直接收发，因此需要发送和接收时的转换，只能加入额外的控制器来控制发送和接收的转换；同时，需要用控制器存储转发所有的传输数据，这样，每传输1帧数据，至少损失1个单位的接收时间(储存转发1帧数据的时间)。此方案不利于数据量大的实时通信，而且在发送和接收的切换过程中，在VA和VB(VA和VB分别是Rs一485总线的A、B端的电压)有阶跃电压的产生。这个阶跃电压对接收器的接收有干扰产生。

(2)自动收发转换的RS-485接口电路
    图l所示的虚线框中为接口电路，通过对真值表进行分析，其发送和接收过程为：
    当发送端DI=O时，DE/RE=1发送O电平，接收端RO=O；当发送端DI=1时，DE/RE=0，VA=VB=2.5V，接收端由于上拉电阻的作用RO=1。

    在此接口电路的TXo端加入1kHz的TTL方波对电路进行测试。未加入120Ω端电阻时，接口芯片的485-A和485-B脚都有约50μs的电压变化过程，如图2所示。接收端Ro波形的上升沿有明显的延迟约30～40μs(和数据发送端DI比较)，造成很大的传输误差；加入120Ω端电阻时，延迟明显缩小，约3μs。

    此电路在发送高电平时，发送器处于高阻状态，总线上所有接口处于接收状态，总线是空闲的，允许其他接口发送数据，因此容易引入总线冲突。特别是连续发送商电平比特时，发送器处于高阻状态的时间越长，引入总线冲突的几率就越大。

(3)零延时的RS-485接口电路
    零延时RS-4185接口电路主要采用74HCl4和电路中的电阻、电容等元件构成一个延时很短的电路，其主要作用是：
    ①发送器在发送高电平的时候，在短延时内不再是处于高阻状态，仍有驱动电流存在，这样在一定程度上可以增加接口的抗干扰能力。
    ②从真值表可以看出．对于接收器，当VID=VA-VR≥一O.01 V时，RO=1；在发送端，当DE/RE=0，发送驱动器的VA和VB都是高阻态，此时VA=VB=2.5V，因此，这时对于接收端RO=1；而在短延时的时间内，由千DI=1且DE/RE=1．所以RO=1．可见在短延时和DE/RE=0的时间内接收端RO=l，这样就完成了对高电平的发送和接收，而且在接收端的上升沿不会有延迟，即零延时，如图3所示。

    把图l中自动收发转换的RS-485接口电路换成零延时的RS-485接口电路，如图4所示。同样在TX0端加入1 kHz的方波对电路进行测试，结果是接收端RO的上升沿不会有延迟。这和是否接入120Ω的端电阻没有关系，证实了以上的分析。

    图2、3中虚线箭头指向处的电压为2.5 V。

    图4中，根据系统所确定的传输速度来选择R3和C0参数，以达到零延时。传输速度越高，延时越小。这里选择R3=22 kΩ，C0=1000 pF。

    自动收发转换的RS-4t85接口电路和零延时的RS-485接口电路都有不足之处，即在发送端发送连续的高电平时，逻辑上发送端是处于发送状态，接收端处于接收状态；但实际上，此时所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的发送端和接收端都处于接收状态。这在对等的网络结构中是不能忽视的，因为在这段时间内，总线是空闲的，是允许节点发送数据的。

    这里采用的是主从式的网络结构，因此这个问题不会影响系统工作。

3 网络拓扑结构
    网络拓扑结构的设计是根据寿命检测系统的实际需要提出的，设计目标是：满足lO个寿命架，每个寿命架64个节点的检测要求，在硬件和软件上做到容易扩展，走线合理。因此逻辑上采用主从式网络结构，物理结构上采用星型拓扑结构，如图5所示。这个拓扑结构有两级总线，主要由以下设备组成：
    ①RS-232转RS-485。实现RS-232到RS-485电气信号的转换，这是第一级RS-485总线。
    ②10口的485HIJB(集线器)。如图6所示，485HUB是由1个主机和10个从机的零延时的RS-485接口组成，这是在逻辑上实现主从式结构的基础。当主机端下行发送数据时，连接在10个从机接口上的所有接口都可以接收到数据；而当某个从机接口上挂接的节点上行发送数据时，只有主机节点(PS端)和挂接在同一个从机接口上的其他节点可以接收到数据。这是第二级RS-485总线。
    ③单片机节点。有4种节点，即节能灯状态采集节点、温度采集节点、供电电压采集节点和模式控制节点。每个单片机节点的通信接口都采用零延时的RS-485接口电路，每一个节点都有自己的地址，用于PC端寻址。

    理论上，SN75HVD3082的一条总线可以连接多达256个节点，因此在每个从机接口上可以扩展更多的节点；同时在RS-232转RS-485转换器的总线上也可以连接更多的485HUB。这样就可以实现硬件上的扩展。

4 通信协议
    采用9600 bps的波特率，固定长度帧结构，帧长度10字节。帧信息定义如下：帧头(0x55 0xAA)、命令(1字节)、数据(4字节)、从机地址(2字节)、校验(1字节)。

    在通信协议中采用帧校验和帧超时，以达到软件抗干扰的目的。
    ①帧校验：采用累加和校验。在发送时，把帧头、命令、数据、从机地址几个域相加并取最低字节填充到校验域。如果节点不处于接收状态，则启动发送，否则等待；如果在未超时，并完整地接收到10字节时，把帧头、命令、数据、从机地址几个域相加，并与校验域比较，相同表示成功接收到1帧数据。
    ②帧超时：帧超时定义是，在接收到第一个字节时，进入接收状态，并设置8ms定时，以后每接收到一个字节，重置8ms定时。正常情况下，接收一个字节约1 ms时间。如果超过8ms，则退出接收状态，丢弃当前接收帧，回到空闲状态，等待下一帧的接收。

    在程序设计中，帧超时的定义与程序的架构和波特率有关，原则上只要大于1个字节的接收时间就可以了。这里选择8ms与程序的架构有关。

5 测试结论和应用前景
    在设置了所有节点的地址后，即可在现场对系统进行测试。测试方案是，在PC机端运行测试软件，约每隔50ms发送一次测试命令轮询所有的节点。每一次发送都要求有数据返回，否则视为通信错误。软件连续运行7天，没有发现错误，说明系统稳定可靠。

    目前设计的节能灯寿命检测系统已经在现场成功投入使用，运行效果良好。此系统设计思想对于设计具有大量节点、大数据量的实时智能检测系统起到借鉴作用，在自动化检测领域中将有较为广泛的应用价值。