用于電能計量應用的RS-485故障安全和信號丟失檢測器

　　簡介

　　電能計量通信端口常常使用RS-485接口，可能受到大共模噪聲、地電位差和高壓瞬變的影響。具體說來，通過主節點(中央數據收集點)與電表從節點之間的長電纜，這些危險因素可能會破壞數據通信，甚至引起RS-485接口永久損壞。

　　圖1顯示了三相電能計量從節點中的可能隔離域。隔離柵可以位于模擬前端(AFE)處或RS-485通信端口處。將三相AFE配合ADE7912或ADE7913使用，以隔離通信接口并測量A相、B相和C相上的電壓和電流。RS-485收發器將三相從節點與主節點隔離開來，并允許主節點和電表從節點之間進行可靠的控制和數據傳輸。無論隔離柵放在何處，ADI公司的iCoupler?技術都能在有系統接地差異、共模噪聲和電壓瞬變的情況下實現可靠運行。

　　采用RS-485作為物理層的更高級電能計量標準，例如IEC 62052-11和IEC 62053-21(有功電能1類和2類交流靜態瓦時電表)，針對RS-485接收器在空閑總線(無有效信號)上工作的情況，規定了一個明確的輸出狀態。ADM2682E iCoupler信號和isoPower?隔離式RS-485收發器具備真正的故障安全特性，針對總線空閑、開路和短路狀況會提供邏輯高電平接收器輸出。若使用總線信號丟失(LOS)檢測器電路，可以給RS-485節點增加其他系統診斷功能。

　　圖1.位于隔離式AFE處或RS-485通信端口處的三相電能計量從節點的可能隔離域

　　故障安全和遲滯

　　總線空閑、開路和短路故障安全

　　ADM2682E /ADM2687E具備真正的故障安全特性，針對總線空閑、開路和短路狀況接收器會輸出邏輯高電平。

　　當RS-485 A和B引腳斷開且沒有端接電阻或其他節點時，開路故障安全特性會確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為高電平。ADI公司的所有RS-485收發器都有此特性。在ADM2682E A引腳上有一個內部上拉電阻。如果A引腳斷開且浮空，則該上拉電阻會將A引腳上拉至?30 mV以上。在ADM2682E B引腳上也有一個下拉電阻。如果B引腳斷開且浮空，則該下拉電阻會將B引腳下拉至-200 mV以下。這種情況下，A引腳電壓大于B引腳電壓，產生一個總線差分高電壓，接收器輸出為恒定邏輯高電平。

　　當兩個節點驅動總線到相反電平時，或當總線線路短接在一起時，短路故障安全特性會確保ADM2682E或ADM2687E接收器輸出為邏輯高電平。

　　總線空閑故障安全特性更為復雜;當沒有節點驅動RS-485總線上的信號時，該特性會使ADM2682E或ADM2687E接收器輸出邏輯高電平。第一種方法是使用故障安全RS-485收發器，其接收器偏移閾值為?30 mV(舉例而言)，而不是TIA/EIA-845-A RS-485標準的200 mV。具有總線空閑故障安全特性的ADI RS-485收發器也有短路故障安全特性。第二種方法是使用總線上的上拉和下拉電阻，確保一個最小差分電壓。這種方法也稱為有源端接法。根據電源電壓和總線負載，計算所需的電阻值，包括端接電阻和接收器阻抗。

　　圖2.ADM2682E或ADM2687E接收器故障安全特性

　　遲滯

　　TIA/EIA-845-A RS-485標準建議，RS-485收發器應采取措施防止接收器發生不穩定或振蕩狀況。接收器遲滯有助于增強其穩定性，并提供一種抗擾手段，這對長電纜布線和惡劣現場總線環境特別重要。

　　ADM2682E /ADM2687E數據手冊規定接收器典型遲滯(ΔVHYS)(此處的“hys”大寫)為15 mV，接收器差分輸入閾值電壓范圍(VTH)為?200 mV至?30 mV。VTH是接收器輸出電壓(VRO)從高電平變為低電平或從低電平變為高電平的閾值。ΔVTH本質上是高電平到低電平的VTH(圖3左側)與低電平到高電平的VTH(圖3右側)之差。

　　接收器遲滯ΔVTH幫助確保接收器差分輸入閾值電壓(VTH)周圍的噪聲不會導致接收器輸出發生雜散性邏輯高電平或邏輯低電平轉換。

　　圖3.ADM2682E或ADM2687E接收器遲滯

　　RS-485信號丟失(LOS)檢測器

　　非隔離式實現方案

　　如果一個連接器斷開與電表從節點的連接，或者一條RS-485電纜錯誤斷開，LOS檢測器就會提醒系統微控制器。圖1顯示系統隔離柵既可放在AFE處，也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵放在AFE處，系統設計人員可以實現非隔離式LOS檢測器電路。

　　圖4顯示了一個非隔離式RS-485 LOS檢測器電路。LOS檢測器電路由第二個ADM3078E收發器構成，其用于實時監控總線狀態。LOS檢測器電路還包含一個簡單的NC7S08 AND門，其連接到兩個ADM3078E器件的RO引腳。NC7S08 AND門的輸出隨后由電阻R和電容C進行低通濾波。該低通濾波器的輸出(即LOS邏輯信號)通過導線直連到系統微控制器。

　　在正常工作期間，ADM3078E接收器可以檢測到來自RS-485總線的有效高電平輸入，并通過RO接收器輸出端輸出一個邏輯高電平信號。針對總線、開路、短路和空閑狀況，ADM3078E接收器故障安全特性也會輸出一個邏輯高電平信號。當RS-485總線上長時間無信號時，LOS檢測器電路會明確提醒系統微控制器。

　　圖4所示的LOS電路包括兩路ADM3078E接收器輸出，即RO和，其連接到NC7S08 AND門。當RO和的邏輯狀態相同時，AND門輸出為邏輯高電平，表示總線電壓為0 V(RS-485總線上無信號)。

　　兩路ADM3078E接收器輸出的傳播延遲之差可能在NC7S08 AND門輸出上引起雜散毛刺。ADM3078E數據手冊顯示，接收器傳播延遲最大值為75 ns。在典型實驗室測量中，接收器傳播延遲可能是40 ns。典型實驗室測量的RO輸出和輸出之間可能有35 ns的傳播延遲差。此測量設置利用一個由27 ?電阻和220 pF電容形成的低通濾波器來補償35 ns的典型差值。

　　添加一個ADM3078E節點來監控總線LOS，則會導致RS-485網絡可支持的有效節點數減少。

　　系統設計人員必須考慮正常總線流量下的總線空閑時間，并在微控制器LOS故障提醒軟件中設計一個時序延遲予以解決。該延遲用于防止總線空閑狀況觸發系統LOS故障誤報。

　　圖4.采用ADM3078E的非隔離式LOS檢測器電路

　　圖5顯示了對應于圖4所示電路的測量信號。針對RS-485總線上無信號的特定狀況，系統微控制器得到的LOS邏輯輸出為邏輯高電平。

　　圖5.LOS檢測器電路測量

　　隔離式實施方案

　　圖1顯示系統隔離柵既可放在AFE處，也可放在RS-485通信端口處。如果隔離柵不放在AFE處，系統設計人員可以實現隔離式LOS檢測器電路。圖6顯示了一個隔離式RS-485 LOS檢測器。

　　圖6.采用ADM2682E的隔離式LOS檢測器電路