電表應用中RS-485收發器的設計考慮

摘要：自動抄表技術為電表提供一個通信端口，以電子方式遠程讀取數值。本應用筆記討論Maxim RS-485收發器的不同特性，這些特性使RS-485收發器非常適合用于電表通信端口。

自動抄表技術在電表應用中越來越流行，該技術為電表提供通信端口讀取數據，而且大部分情況下采用遠程讀數方式。對于電表應用來說既安全又節省了時間和金錢。實現該技術的關鍵是確保通信鏈路安全可靠，RS-485是一種簡單、廉價而且可靠的通信規范，可理想用于自動抄表系統。本文討論Maxim RS-485收發器的各種特性，這些特性使RS-485收發器成為電子式電能表的理想選擇。


圖1. 采用RS-485端口的電表結構圖

圖1所示為采用RS-485端口的電表結構圖，通過光耦合器和變壓器，端口與MCU和模擬前端之間實現了電氣隔離。隔離功能可有效保護電路不受RS-485傳輸線上浪涌電流的損害。

電纜斷開時，A、B線的上拉和下拉電阻決定接收器的狀態。使用這些電阻能夠在電纜斷開時使接收器輸出一直保持高電平，由此帶來很多益處。圖1系統中，IrDA電路有一個開漏輸出，電纜斷開時，如果RS-485收發器錯誤的將線路拉低，光耦合器輸出晶體管將會接通，使總線保持低電平，禁止開漏IrDA模塊和MCU之間的任何通信連接。電纜斷開時產生一個高電平輸出，系統可以在同一UART總線上使用其它開漏輸出器件。

當RS-485總線與電力線(例如，220VAC)短路時，PTC和TVS可提供差模過壓保護。

反激變壓器的附加繞組為隔離電路供電，圖1中，反激轉換器有兩路輸出：第一路為MCU和模擬前端供電；第二路進行電氣隔離，為RS-485端口供電。如果上述反激電源配合后備電池使用，MCU的供電電源(圖中的VCC)實際經過了“二極管或操作”。這意味著電池供電時，不存在隔離的isolated_VCC。因此，RS-485電路沒有“接通”，所以電表在斷電期間不能進行通信，也無法通知已經停電。

以下列出了Maxim RS-485收發器的特性，這些特性可以幫助提高并簡化電表中RS-485端口的設計。關于支持這些特性的所有器件的詳細信息，請參考MAX3070E (3.3V)或MAX13085E (5V)數據資料。

失效保護 RS-485標準定義信號閾值的上下限為±200mV，但沒有規定電平范圍。在以下三種情況下，這會帶來一定的問題：

1. 總線上的所有收發器都沒有工作，因此出現了高阻態。這意味著總線上的終端電阻導致接收器輸入之間的差分電壓是0V。
2. RS-485總線出現短路，線路之間的電壓也會出現0V。
3. 出現開路或沒有連接電表時，差分電壓也是0V，這是因為收發器本身在輸入之間具有高阻，迫使出現0V。

上述三種情況下，差分電壓均為0V，然而，RS-485規范定義0V是不確定電壓。這意味著接收器輸出可以是高電平，也可以是低電平，甚至在高電平和低電平之間振蕩。Maxim的失效保護接收器規定接收器閾值在-50mV和-200mV之間，從而解決了這一問題。這要比RS-485規定的閾值嚴格一些，因此也符合該規范。利用這一優勢將0V差分電壓定義為已知狀態，避免了上述三種情況帶來的問題。這樣，電表硬件工程師可以不必采用圖1所示的兩個偏置電阻。

擺率限制 由于大部分電表的數據速率在1kbps和19.2kbps之間，沒有必要采用很快的邊沿速率，因為這樣只會帶來不必要的輻射。通過控制RS-485收發器驅動電路的邊沿速率，可以降低高頻輻射。較低擺率還降低了不恰當的終端匹配和接頭產生的誤碼(參見圖2和圖3)。


圖2. MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E傳輸125kHz信號時驅動電路的輸出波形和FFT曲線

MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E沒有擺率限制，能夠支持更高的數據速率。然而，較高數據速率要求較快的邊沿速率，因而產生較大的高頻諧波。這些諧波增加了EMI輻射，也限制了系統對不恰當的終端匹配的承受能力。


圖3. MAX3483E/MAX3488E傳輸125kHz信號時驅動電路的輸出波形和FFT曲線

MAX3483E和MAX3488E對擺率加以限制，因此，最大數據速率降至250kbps甚至更低，這對于電表應用已經足夠了。擺率的降低也限制了高頻諧波，不但減小了EMI，而且解決了不恰當的終端匹配所帶來的問題。

熱插拔 在多點系統中，例如RS-485，保證只有一個發送器工作非常關鍵。如果兩個或多個發送器處于工作狀態，將會出現總線競爭，導致誤碼。通過軟件可以部分解決總線通信中的誤碼問題，但是硬件工程師應首先避免出現這些誤碼。Maxim的熱插拔特性解決了總線競爭時出現的兩種常見問題：

1. 收發器在已經工作的總線上首次上電。
2. 在已經工作的系統中帶電插入收發器卡。

這兩種情況下，驅動RS-485收發器的微控制器(μC)將重新復位。大量μC使其I/O口進入三態。一旦軟件開始運行，微處理器引腳將最終配置為合適的狀態。但在初始上電與引腳正確配置完成之間會出現問題，主要問題是，RS-485收發器的發送使能(DE)引腳將“看到”一個邏輯高電平。出現這一問題是由于噪聲或漏電流將三態引腳上拉至高電平。

Maxim的熱插拔電路通過兩個步驟解決這一問題。在第一個10μs期間，RS-485收發器上電，通過5kΩ電阻的600μA強下拉電流將DE引腳拉低，強下拉電流使DE引腳的所有電容放電。10μs后，采用100μA下拉電流保持邏輯低電平不受漏電流和噪聲的影響。在外部電源將DE引腳拉高之前，100μA的下拉電流將一直保持有效。一旦引腳出現高電平，關閉100μA電流源，RS-485收發器正常工作(參見圖4)。這一特性確保RS-485收發器的發送器為三態，避免總線競爭。


圖4. Maxim DE引腳的熱插拔電路簡化框圖

增強ESD保護 ESD是所有半導體器件普遍存在的問題，RS-485收發器也不例外。Maxim產品采用符號“E”表示器件具有增強的ESD保護，MAX3070E和MAX13085E能夠承受±15kV的人體模式(HBM)靜電沖擊。

隔離 MAX3535是單片隔離型、3.3V或5V供電RS-485收發器。包括容性隔離，集成了RS-485收發器，內部H橋接驅動電路配合外部商用化變壓器，在16引腳SO封裝內實現了單片隔離的RS-485方案。由于不必在反激電源中采用額外繞組，也不必采用光耦合器，因此大大降低了設計難度。另外，由于MAX3535是自供電，當電表采用電池供電時，RS-485端口也能正常工作。MAX3535E還提供熱插拔、失效保護、ESD保護以及擺率限制等功能(圖5)。


圖5. MAX3535E的典型應用電路

電子式電表已經生產多年，而自動抄表則是最近一年出現的新增功能。Maxim的RS-485收發器有助于降低電表成本，提高可靠性，簡化設計，實現電表的小型化。
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