RS-485網絡設計降低功耗問題

RS-485網絡的功率損耗

　RS -485網絡中許多數據采集或收集器屬于小型、手持式、電池供電設備，因此必須采取省電措施，以延長這些設備的電池壽命。靜態電流（IQ）是反映收發器功率消耗大小的一個重要指標，新型RS-485收發器的IQ已減小許多。表1把工業標準的雙極性收發器75176與各種低功耗、CMOS收發器的靜態電流進行了對比。

　當一個標準的RS-485收發器外掛最小負載：一個RS-485收發器、兩個匹配電阻、兩個失效保護電阻時，就可以測量其電源電流隨數據速率變化的關系曲線。圖2為MAX1483的電源電流ICC與數據速率的關系，測試條件為：外接電阻560Ω/120Ω/560Ω（如圖1所示），VCC=5V，DE= /RE=VCC，電纜長度100英尺。從圖2可以看出：即使數據速率很低，電源電流也增大到將近37mA，這主要是由于引入了匹配電阻和失效保護電阻所致。下面將討論采用不同的匹配方式及失效保護措施在低功耗應用中的重要性。


失效保護

　眾所周知，當RS-485接收器輸入端電壓介于-200mV～+200mV時，輸出處于不確定狀態。即：如果半雙工結構RS-485收發器的差分輸入電壓為 0V、而線上又無其它驅動器使能或由于連接不好導致輸出開路，則該接收器既可能輸出邏輯1也可能輸出0，而且幾率相同。為了保證在上述錯誤情況下輸出一個確定值，大多數RS-485收發器都需要外接失效保護電阻：其中在線A接上拉電阻，線B接一下拉電阻，如圖1所示。以往在大多數方案中，該失效保護電阻選取560Ω，不過為了減小功耗，有人將該失效保護電阻增大到將近1.1kΩ(當只需要一端匹配時)。部分設計工程師則采用1.1kΩ～2.2kΩ的電阻在電纜兩端進行匹配，增大該電阻雖然減小了電流消耗，但卻降低了系統抗干擾能力。為了避免采用外部偏置電阻，RS-485收發器生產廠商首先在芯片內部給接收器提供偏置電阻（上拉或下拉），不過它僅在檢測輸出開路時有效。對于終端匹配電纜，由于這類“偽”失效保護收發器內置的上拉電阻比匹配電阻大幾個數量級，上拉效果很微弱，因此還是難以使接收器輸出一個確定值。通常這種內置失效保護電阻的收發器僅對不需要終端匹配的電纜有效。因此其它一些廠商又試圖把接收器門限范圍變為0～-0.5V，但這違背了RS-485標準。MAXIM公司開發的MAX3080、MAX3471系列產品很好地解決了上述兩個問題。這類收發器通過定義一個更精確的接收器門限范圍：-50mV～+200mV，省去了偏置電阻，同時又不違背RS-485標準。當接收器輸入0V電壓時，它們保證輸出邏輯“高”電平。進一步講，當發生開路或短路情況時，這些接收器能夠保證輸出一種確定值。

降低功率損耗的幾種措施

　如表1所示，不同的收發器汲取的靜態電流可能有很大差別，因此，省電設計首先應該選擇低功耗器件，譬如MAX3471（當發送關閉時，僅消耗2.8μA電流，數據速率可達64kbps）。由于數據發送期間收發器的功耗增加，因此節省功耗的第二步就是通過軟件實現短碼發送數據，使收發器長時間處于接收狀態，使發送占空比最短。典型的串行發送數據結構如表2所示。一個掛接單位負載（32個可尋址器件）的RS-485系統包含下列各位：5位地址位、8位數據位、起始位（全幀）、停止位（全幀）、奇偶校驗位（可選擇）、循環碼校驗位（CRC，可選擇），因此其發送數據的最短長度為20位。然而，在實際應用中，基于信息發送的安全性考慮，還必須發送附加信息，諸如數據長度、發送地址、方向等等，結果使得碼長可能增長到255個字節（即2040位）。

　通過增加碼長可以增強數據發送安全性，但它卻是以占用總線時間和消耗更多功率為代價。當以200kbps速率來傳送20位的數據時，需要占用100(s的時間。如果采用MAX1483，以200kbps速率，每秒發送一次，則MAX1483消耗的平均電流為：

(100μs*×53mA +(1s-100μs)×20(A)/1s = 25.3μA.

　當收發器處于空閑模式時，必須關閉它的驅動器以使功率消耗最低。表3以MAX1483為例給出了碼長與RS-485接口電流消耗之間的關系。當然，對于采用定時循檢技術或在兩次發送期間有較長固定休眠時段的系統，可以通過關閉收發器進一步限制功率消耗。

　 除了從軟件方面考慮之外，硬件電路也為降低功耗提供了很大的余地。圖3比較了當收發器使能、在1000英尺長的電纜發送方波信號時，各種不同的器件消耗電流的大小。其中75ALS176和MAX1483在總線每一端均采用標準的560Ω/120Ω/560Ω電阻匹配網絡，而“失效保護”器件MAX3080 和MAX3471在總線每端僅采用了一個120Ω的匹配電阻。由圖可見，消耗的電源電流變化范圍很大，選擇具有失效保護功能的低功耗器件，可將功耗降低許多。

　終端電阻可以消除因阻抗不匹配而產生的反射干擾，不過其代價是消耗功率，為降低功耗，在匹配技巧方面可采取以下措施：

1）、無終端電阻

　 減小功耗的第一種辦法就是取消終端匹配電阻。不過這種方案只適合短距離、低速率傳輸，保證在數據信號達到接收器之前反射信號消失。根據經驗，如果信號的上升時間至少比信號在電纜通道單方向傳輸延遲時間長3倍，則可以采用不加終端電阻的方法。利用該準則，按照下列步驟，可以計算出不加終端匹配電阻時，電纜的最大長度。

第一步：首先查找到信號在電纜中傳輸速率（通常由電纜廠商提供），該參數以光速（真空中，c=3×108）的百分比表示。對于標準的絕緣型PVC電纜（內部為24號AWG雙絞線）其典型速率為8英寸/ns。

第二步：對于RS-485收發器，從其產品資料查找出最小的上升時間（tr min）。例如，MAX3471的上升時間為750ns。

第三步：將最小上升時間除以4。對于MAX3471，有：tr min/4=750/4=187.5ns。

第四步：計算不需要采用匹配電阻時，能可靠傳輸信號的電纜最大長度：187.5ns/8英寸/ns=125英尺

　因此，MAX3471在125英尺無電阻匹配的電纜中以64kbps速率收發數據時，可以保持良好的傳輸性能。圖4說明了當用100英尺長無電阻匹配電纜替換1000英尺長具有兩個120Ω終端匹配電阻的電纜后，MAX3471的功耗大大減小。

2）、肖特基二極管“匹配”

　當受到功耗限制時，肖特基二極管提供了另外一種終端連接方法。與前面介紹的方法不同的是，它并不打算與電纜線匹配，而是簡單地把反射信號引起的過壓或欠壓信號進行鉗位。其結果是，總線或接收器輸入端電壓信號被限制在VCC+VFD（二極管正向導通電壓）或GND-VFD范圍內。由于肖特基二極管僅在電壓過沖時起作用，因此它們消耗很少一點能量。相反，采用電阻匹配時（無論加不加失效保護電阻）都一直在消耗電流。圖5為利用肖特基二極管消除反射的連接方式。雖然該終端連接法不具有失效保護功能，但如果選用了如MAX3080、MAX3471這類收發器可以實現上述功能。

　在眾多類型的二極管中，肖特基二極管特性最接近理想二極管，但是，肖特基二基管“匹配”法并不能消除RS-485/422系統中所有的反射信號。因為一旦反射信號減弱到低于二極管正向導通電壓，其能量就不再受終端二極管的影響，且會一直在電纜中存在，直到其能量被電纜消耗盡為止。采用肖特基二極管終端連接法的另一個缺陷是成本問題。由于每根終端線需要兩個二極管，而RS-485/422總線采用差動方式，因此需要的二極管數目還要再加倍，使系統成本提高。

結語

　在高速、長距離通訊的RS-485系統中，由于需要終端匹配電阻，因此很難實現低功耗。如果采用具有“失效保護”功能的收發器，可節省功耗；另外依靠軟件對數據通訊結構優化，讓發送器在數據發送完畢之后進入關閉模式或關閉驅動器能進一步減小功率消耗。