okhxyyo 发表于 2024-8-30 11:00

RS485自动收发电路硬件设计及其常见的几个关键要素

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<p><span style="font-size:16px;">本文主要讨论如何设计RS485接口电路，以及简单介绍接口电路设计通常涉及到几个关键要素。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>什么是RS485？</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;">RS485是半双工通信，<strong>半双工通信</strong>指的是通道在一个时刻只能处于接收或者是发送。RS485的特点是支持多节点传输、传输距离远、抗干扰能力强，RS485可以连接多个485设备，信号的速率可达到10Mbps。通过AB两线之间的压差来判断是逻辑电平1或者逻辑电平0，当AB间的电压差大于200mV时为高电平1，小于200mV时为逻辑电平0。一般会在首末两端接120&Omega;电阻，其作用是进行阻抗匹配，消除信号反射。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>RS485硬件电路设计</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;">RS485电路设计可以分为<strong>隔离型</strong>和<strong>非隔离型</strong>，下图是非隔离型电路，B端接到GND下拉，A端通过上拉电阻为高电平，是为了保证A和B之间的压差大于200mV。DE和RE引脚是发送和接收使能，RE为低时，为接收使能；DE为高时，是发送使能。应用中一般是两者连接在一起，通过IO口（RS485_EN）控制，因为芯片要么是处于接收，要么处于发送，因此在发送数据的前，给RS485_EN信号为高电平，接收数据就给低电平。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>RS485自动收发电路硬件设计</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;">自动收发电路相比较普通的485电路，区别在于多一个晶体管控制485的使能引脚。R9限流电阻一般是4.7K，R8上拉电阻一般也是4.7K，使能引脚在晶体管没有导通时被上拉。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>接收数据时：</strong>接收数据引脚是芯片的第一引脚也就是网络标签RS485_RX，在接收数据过程中，RS485_TX引脚保持高电平，VGS为高电平，NPN三极管Q1就导通，RE和DE相连的引脚通过晶体管下拉到GND，此时接收使能，处于接收状态。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>发送数据时：</strong>发送数据引脚是RS485_TX，应该RS485_TX发送1，晶体管导通，RE和DE的电平为低，RS485收发芯片没有打开，由于常态下485为高电平，此时数据就是高；当 RS485_TX发送0时，晶体管不导通，此时485收发芯片的发送使能为高，DI由于一直被下拉到GND，所以发出去的数据为0。这样就实现了485的自动收发。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>发送具体解析：</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">RS485_TX 发送1，VGS高电平，NPN三极管导通，使能引脚是低电平，发送失效，接收使能，处于接收状态。由于SP3485芯片的AB引脚是高阻状态，R4把A拉高，R5把B拉低，所以AB传输的是1。即RS485_TX发送1时，AB引脚发送1。</span></p>
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<p><span style="font-size:16px;"><strong>RS485接口防雷电路设计</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;">接口防护电路</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">L1是共模电感，共模电感衰减共模噪声，增强抗干扰能力，一般选择120&Omega;/100MHz。C3电容的作用是为了隔开接口地和数字地，一般选择1000pF。为了达到EMC防护要求，差模信号2kV，共模信号6kV，在接口处会预留上气体放电管、热敏电阻、TVS管组成防护电路。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>RS485接口电路PCB的GND设计</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;">虚线处的防护器件要尽量靠近接口，摆放紧凑整齐，先放防护器件再放滤波器件。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;">RS485接口电路设计通常涉及到几个关键要素，包括信号传输、电气隔离、噪声抑制、保护措施以及电源和控制逻辑设计等。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;"><strong>关键要素</strong></span></p>
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<p><span style="font-size:16px;"><strong>信号线选择与布线</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 使用一对双绞线作为差分信号线（A和B），通常选用屏蔽双绞线电缆以减少电磁干扰。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 保持A和B线长度尽可能相等，以减少信号延迟差异，保证信号的完整性。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>共模电感和滤波</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 在信号线入口处加入共模电感L1，用于抑制共模干扰，推荐阻抗范围为120&Omega;/100MHz ~ 2200&Omega;/100MHz。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 可能还需要并联去耦电容和TVS管等元件，进一步提高抗干扰能力。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>收发器芯片选择</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 常见的收发器芯片有SP3485、MAX485等，它们将TTL/CMOS逻辑电平转换为RS485差分信号。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 需要关注RE、DE以及RO等控制引脚的连接逻辑，通常RE和DE可以连接在一起通过单个控制信号控制发送/接收模式。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>偏置和终端电阻</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; A信号线可能需要上拉电阻（如10k&Omega;至4.7k&Omega;），以确保在空闲时的电压状态，B信号线可能需要下拉到GND。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 在总线的两端或适当位置放置120&Omega;终端电阻，以减少信号反射和改善信号质量。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>防雷击和浪涌保护</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 可以在信号线上添加TVS管和/或自恢复保险丝，用于过压和浪涌保护，提高电路的鲁棒性。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 对于高风险环境，考虑加入6kV以上的防雷击保护电路设计。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>EMC设计</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 保证良好的接地设计，特别是接口地的处理，有时单板地与外壳直接连接，通过1000pF电容耦合。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 电路板布局时注意电源和信号线的分离，减少交叉干扰，增加滤波和退耦电容。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;"><strong>控制逻辑</strong></span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 根据应用需求，设计控制逻辑电路或使用MCU控制发送使能信号，实现自动或手动切换。</span></p>

<p><span style="font-size:16px;">&bull; 对于自动收发电路设计，可能需要更复杂的逻辑来自动管理发送和接收状态，以适应不同通信场景。</span></p>

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<p><span style="font-size:16px;">RS485接口设计不仅关注电气特性，还需要综合考虑EMC、可靠性、安全性等因素，确保在复杂工业环境中的稳定通信。</span></p>

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<p><strong>-- End&nbsp;--</strong></p>

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langtuodianzi 发表于 2024-8-30 11:06

<p>资料翔实！</p>

damiaa 发表于 2024-8-30 11:22

<p>内容详细!如果不想加复杂的浪涌保护电路，至少也得加一个类似sm712那样得器件.</p>

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Maker_kun 发表于 2024-8-30 11:57

<p>干货满满</p>

jobszheng5 发表于 2024-8-30 14:20

<p>三极管影响速率，115200bps的速率下会丢包。</p>

<p>所以，好多设计也直接上反向器来实现。</p>

dukedz 发表于 2024-8-31 00:38

<p>可以做到真正意义上 RS485 自动收发的，看得看 CDBUS 方案：</p>

<p>https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1267965-1-1.html</p>
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