通信電路設(shè)計指引

美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009485通信電路設(shè)計指引(發(fā)布日期:2009-04-241范圍本設(shè)計指引對485通信電路的電路原理,各器件的參數(shù)計算選擇,相關(guān)技術(shù)要求和實際使用中的有關(guān)問題進(jìn)行了闡述。本設(shè)計指引適用于美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部的485通信電路的設(shè)計。2規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn),然而,鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。QMN-J29.001空調(diào)器電子控制器(原標(biāo)準(zhǔn)號02.0083定義半雙工方式:此種方式下的系統(tǒng)中每個通信設(shè)備均有發(fā)送器和接收器,由電子開關(guān)切換,兩個通信設(shè)備之間只用一根通信線相連接,通信雙方都可以接收或者發(fā)送,但同一時刻只能單向傳輸。4總述RS-485總線作為一種允許多點、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ烹姎庖?guī)范,定義了一個極為堅固可靠的,基于單對平衡線的多點,雙向(半雙工的通信鏈路,具有長傳輸距離、寬共模范圍、信號沖突保護(hù)、低成本和良好的抑制高噪聲等特性。RS-485實質(zhì)上是一個電氣接口規(guī)范,它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性,而沒有規(guī)定插件、傳輸電纜與通信協(xié)議,在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。目前美的家用空調(diào)很多機(jī)型,尤其是基站系列空調(diào)均使用到了RS-485通信電路。RS-485的接口規(guī)范特點如下:1美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范●平衡傳輸、差動工作模式●驅(qū)動器帶載最小輸入電壓:±1.5V●最大輸出短路電流:250mA●接收器輸入門限:±200mV●-7V至+12V總線共模范圍●接收器輸出邏輯高:>200mV●最大總線負(fù)載:64個單位負(fù)載●最大傳輸速率:10Mbps●多點通信規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009●驅(qū)動器帶載最大輸入電壓:±5V●驅(qū)動器輸出阻抗:54●接收器最小輸入阻抗:12K●最大輸入電流1.0mA/-0.8mA(12Vin/-7Vin●接收器輸出邏輯低:<200mV●允許收發(fā)器數(shù)目:32Tx、32Rx●最大電纜長度:約1.2千米4.1電路原理圖如圖1所示:+5V102C2C1104+5VR1101R21011N41481N4148D1D21N4148D51N4148D6C3104+5V8765VccBAGNDROREDEDI1234102C4R6101R7101R18R19R20512512512RO1RE/DE1DI1512512512R15R16R171234ROVccREBDEADIGNDIC1MAX130858765D4D31N41481N4148RO2RE/DE2DI2依依依依依依依依R4121R5121R3101R8101D71N41481N4148D91N4148D111N4148D13D81N4148IC2MAX13085+5V+5V+5V依依依依依依依依D101N4148+5V1N4148D15+5VD121N41481N4148D14D161N4148+5VC5104+5VC71045678DIGNDDEAREBROVccMAX13085IC3MAX13085IC4+5V512512512R23R22R21DIGNDDEAREBROVcc5678+5V512512512R24R25R26102C84321101R9R10R11101101R12101102C6R13R14101101DI3RE/DE3RO3依依依依依依依依4321RO4RE/DE4DI4依依依依依依依依圖1使用MAX13085通信芯片的485通信電路原理圖2美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范4.2工作原理簡介規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009DI是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線,RO是接收總線上的數(shù)據(jù),RE/DE是接收/發(fā)送允許,低電平時為接收,高電平時為發(fā)送。對于全雙工芯片,這兩個控制線可以同時有效,但對于半雙工的芯片,同一時間只能一個有效。當(dāng)傳輸?shù)木嚯x很長時,而雙方信息的交換又不是很頻繁時都是采用半雙工方式,這樣可以節(jié)省一對傳輸用線。我們空調(diào)一般都是使用半雙工方式。主芯片將通信內(nèi)容通過通信芯片MAX13085轉(zhuǎn)換為485總線的差分信號在總線上傳輸,再通過通信芯片MAX13085轉(zhuǎn)換為正常的5V波形輸入到主芯片上去,實現(xiàn)了主從機(jī)的通信。美的家用空調(diào)內(nèi)銷使用過的485通信芯片主要有MAX3082和MAX13085兩種型號,由于市場上出現(xiàn)了較多的MAX3082假冒芯片,對產(chǎn)品質(zhì)量存在較大風(fēng)險,目前已全部切換為MAX13085型號,且主要使用SO-8貼片封裝,MAX3082和MAX13085的主要區(qū)別在于:MAX3082的工作電壓允許為+7V,輸出端電壓為±13V,最高傳輸速率為115Kbps,不支持熱插拔;而MAX13085的工作電壓允許為+6V,輸出端電壓為-8V~+13V,最高傳輸速率為250Kbps,支持熱插拔;4.3各元器件作用通信芯片IC1——485通信芯片,將主芯片的COMS電平轉(zhuǎn)換為總線上的差分信號,或?qū)⒖偩€上的差分信號轉(zhuǎn)換為主芯片能識別的COMS電平;瓷片電容C1——對通信芯片電源進(jìn)行處理;瓷片電容C2——將輸入到的主芯片信號濾波;上拉電阻R1,R2,R3——主芯片與485芯片之間的限流電阻;匹配電阻R4——為了解決總線上的發(fā)射和干擾,有時候就需要對總線進(jìn)行終端匹配,如果反射信號在采樣開始時已經(jīng)衰減到可以忽略,那就不用考慮總線匹配問題。由于目前我們通用的雙絞線的這個特性阻抗是100至120之間,因此在485電路的首端及末端增加一個100或120的電阻;二極管D1、D2、D3、D4——總線的上鉗位二極管,主要是濾掉總線上的串?dāng)_信號,同時降低各節(jié)點的反射信號,提高通信質(zhì)量;R15、R16、R17——為選裝電阻,主要用作上拉用,解決主芯片三個通信口為開漏口時不能有效輸出電平的問題;當(dāng)三通信口為普通I/O口時,可以不加此電阻。4.4各元器件選型通信芯片IC1選用MAXIM公司的新一代RS-485通信MAX3080~3089系列產(chǎn)品中的MAX3085,主要使用SO-8貼片封裝(202300700433,其中插件封裝不推薦使用。C1選用104的貼片或者瓷片電容均可;C2選用102的貼片或者瓷片電容均可,但是必須要加,否則通信的可靠性會受到很大的影響;R1,R2,R3選用100歐的普通貼片或插件電阻;R4選用120歐姆的1206貼片或插件電阻;D1、D2、D3、D4選貼片或插件的1N4148開關(guān)二極管;R15-R26依據(jù)對應(yīng)主芯片端口的實際情況可選,選用5.1K的普通貼片或插件電阻。4.5RS-485通信電路的可靠性設(shè)計3規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009事實上,雖然RS-485規(guī)范的定義里只定義了一個雙線通信鏈路,但是在實際使用中,我們可以利用一條或者兩條這樣的鏈路來建立實用的通信網(wǎng)絡(luò),也就是說,RS-485可以很好的支持半雙工和全雙工的通信模式。一般的,對于一條這樣的鏈路,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。而不支持常見的星型或者環(huán)形結(jié)構(gòu)。485總線的網(wǎng)絡(luò)配置實際上對通信的可靠性是影響巨大的,特別是在通信距離的延長和通信數(shù)據(jù)傳送速率或者說通信所用波特率的提高之后,不良影響會越來越嚴(yán)重。下圖2中的(1、(2、(3是一些常見的錯誤的連接方案,其中的小圓圈代表一個接收/發(fā)UART是在每個數(shù)據(jù)位的中點采樣數(shù)據(jù)的,只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。有一條經(jīng)驗性的準(zhǔn)則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進(jìn)行匹配:當(dāng)信號的轉(zhuǎn)換時間(上升或下降4美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口MAX483輸出信號的上升或下降時間最小為250ns,典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜,那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)、電纜長度不超過16米,采用MAX483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。當(dāng)考慮終端匹配時,有多種匹配方案可以選擇。常用的、最簡單可靠的匹配方式,就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻(圖3A。大多數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100Ω至120Ω之間,但該匹配方式有一個缺點,那就是匹配電阻要消耗較大功率,對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合,目前美的家用空調(diào)485通信電路基本都是使用此匹配方式。比較省電的匹配方式就是RC匹配,如圖3B示,利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值是個難點,需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折衷。另外,還有一種采用二極管的匹配方案(圖3C。這種方案雖未實現(xiàn)真正的"匹配",但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號,達(dá)到改善信號質(zhì)量的目的,節(jié)能效果顯著。+5VD61N4148D51N4148RRCD81N4148D71N41483A3B3C5美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號:QMN-J33.230-2009B圖5A芯片內(nèi)部自帶隔離方案VCCDIRE/DEROAB圖5B使用TVS管的旁路保護(hù)方案VCCDIRE/DEROVDDAB8美的家用空調(diào)國內(nèi)事業(yè)部設(shè)計規(guī)范規(guī)范編號：QMN-J33.230-2009圖5C隔離芯片并結(jié)合使用TVS管的旁路保護(hù)方案4.6PCB電路設(shè)計注意事項實際設(shè)計中，485通信芯片應(yīng)盡量靠近主芯片放置，主要是提高通信的可靠性，對于多節(jié)點之間的通信連接線組建議使用雙絞線或帶屏蔽的線組。當(dāng)各節(jié)點的的跨距較遠(yuǎn)，尤其是不同的整機(jī)之間進(jìn)行485通信時，終端必須設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)保護(hù)電路，防止485芯片被外界瞬態(tài)電壓損壞，保護(hù)器件一般選擇TVS管，目前美的確認(rèn)的TVS管有：202301610603壓為6.8V，線路極限工作電壓為5.8V。P6KE6.8A，瞬態(tài)耗散功率為600W，動作電本標(biāo)準(zhǔn)由家用空調(diào)事業(yè)部技術(shù)研發(fā)中心技術(shù)管理室標(biāo)