RS485方向切換如何設計電路？介紹5種方案及優(yōu)劣勢分析！

RS485作為常見(jiàn)的總線(xiàn)之一，幾乎每個(gè)工控設備都在用，我們也對其熟悉不過(guò)了。我們都知道RS485雙半雙工通信，其CPU內部的根源是串口通信，串口通信是區分發(fā)送TX和接收RX的，在同一對差分信號線(xiàn)上同時(shí)傳輸TX、RX，就是進(jìn)行方向的控制，方向的控制時(shí)機不對，數據傳送是要出問(wèn)題的。

例如下圖1、圖2中，CPU端的TX信號發(fā)送完畢后約100uS后方向引腳 拉低，切換到接收狀態(tài)，但是在TX信號發(fā)送完畢后60uS從機就回復了的RX信號，由于此時(shí)還是處于RS485芯片還是處于發(fā)送狀態(tài)，此時(shí)的接收數據將會(huì )被忽略，在系統層面就是體現為數據接收丟包。

有些讀者會(huì )可能回想，只要從機回復數據晚一些，不要這么快速回復，就不存在這個(gè)問(wèn)題了。但是從機一般都是客戶(hù)的機器，我們幾乎不可能要求別人更改回復時(shí)間。例如三菱的Fx3U PLC作為從機時(shí)，從主機發(fā)送數據結束到從機回復數據，只用了60uS，部分控制板，甚至回復時(shí)間在10uS以?xún)取?/span>

研究RS485的方向切換的目標就是：RS485總線(xiàn)空閑時(shí)要處于接收狀態(tài)，如果有主機發(fā)送數據，則置高方向引腳，發(fā)送完成及時(shí)切換到接收狀態(tài)。

大部分的低成本RS232-RS485轉換器采用了這種方法。具體的實(shí)現方法是:把串口的發(fā)送信號TX作為反相器的輸入，反相器的輸出則用來(lái)控制RS485收發(fā)器的收發(fā)控制引腳,同時(shí)在RS485收發(fā)器的A/B輸出端加上上拉/下拉電阻,具體電路如圖3所示。

在空閑狀態(tài)下，串口的發(fā)送信號TXD為高電平，經(jīng)過(guò)反相器后輸出低電平，使485芯片處于接收狀態(tài)，而RS485總線(xiàn)由于上下拉電阻的作用處于A(yíng)高B低的狀態(tài)。當發(fā)送數據時(shí)，TXD信號線(xiàn)上的低電平比特位控制485芯片進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，將該比特發(fā)送出去。而高電平比特位則使485芯片處于接收狀態(tài)，由于RS485總線(xiàn)上下拉電阻把總線(xiàn)置于A(yíng)高B低的狀態(tài)，即表示發(fā)送了高電平。

簡(jiǎn)單說(shuō)，這種電路就是發(fā)送低電平時(shí)，485芯片是發(fā)送狀態(tài)，而發(fā)送高電平時(shí)，485芯片屬于接收狀態(tài)。

優(yōu)勢：

只需要增加一個(gè)反相器就可以實(shí)現，無(wú)需軟件的干預，反相器可以使用一個(gè)三極管即可以實(shí)現，成本十分低廉（幾分錢(qián)）；

劣勢：

由于上下拉電阻不可能選值太小，否則會(huì )影響正常發(fā)送的數據電平。所以這種換向模式在發(fā)送高電平時(shí)的驅動(dòng)能力，并且，理論上我要求方向引腳要比數據先切換方向，但是由于方向引腳經(jīng)過(guò)了反相器，達到芯片的時(shí)間變長(cháng)了，比數據晚到，所以速率太高的情況容易丟包。如果需要驅動(dòng)多個(gè)從設備，就會(huì )顯得力不從心，并且驅動(dòng)能力太弱，只能短距離傳輸;并且傳輸速度不能太快，一般使用9600bps。

使用軟件控制方向：

市面上大部分的內置RS485的產(chǎn)品基本都是采用此類(lèi)的方案，如下圖4中的RS_EN引腳。具體的 實(shí)現方式是：在空閑器件，RS_EN 為低電平，MCU處于接收狀態(tài)，在準備發(fā)送數據之前，MCU會(huì )拉高RS_EN，U1處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送完畢之后，RS_EN重新處于低電平，U1處于接收狀態(tài)。

此類(lèi)方案的關(guān)鍵是軟件需要掌握好RS_EN引腳的高低電平的時(shí)機，假設發(fā)送完數據后，沒(méi)有及時(shí)切換到接收狀態(tài)，而此時(shí)從機又回復數據，此時(shí)就會(huì )引起丟包，就會(huì )出現文章開(kāi)頭圖2中的情形。不幸的時(shí)，軟件工程師的水平參差不齊，特別是在運行操作系統(Linux、WIndows等)以后，想要十分準確控制方向引腳的高低電平已經(jīng)十分困難。

優(yōu)勢：

無(wú)需增加任何的硬件成本，且RS485的驅動(dòng)能力不受影響。

劣勢：

依賴(lài)于軟件控制方向引腳，如果運行復雜的操作系統，控制引腳的優(yōu)先級不夠高，或者軟件的優(yōu)化的不夠好，都會(huì )導致方向引腳的切換不及時(shí)，到時(shí)數據的丟包。并且，是否丟包還取決于從機的回復時(shí)間，測試過(guò)程不一定能夠測試出來(lái)。

使用觸發(fā)器控制方向：

為了克服反相器換向的缺點(diǎn),出現了一種由RS觸發(fā)器控制的自動(dòng)換向技術(shù),如圖5所示。這個(gè)電路的關(guān)鍵是反相器和RS觸發(fā)器之間的由二極管、電阻、電容組成的充放電電路。

在空閑狀態(tài)下，485芯片仍處于接收狀態(tài)。當TXD信號線(xiàn)上發(fā)送數據的低電平起始位時(shí)，反相器輸出高電平，通過(guò)二極管為電容迅速充電,使RS觸發(fā)器R端為高電平，S端為低電平，觸發(fā)器輸出高電平,把ISL3152E置于發(fā)送狀態(tài)；當TXD信號線(xiàn)轉換為高電平時(shí)，反相器輸出低電平，電容通過(guò)電阻緩慢放電，使得R端暫時(shí)仍處于高電平狀態(tài)，加上S端的高電平狀態(tài)，使觸發(fā)器的輸出保持前面的高電平狀態(tài)，485芯片仍處于發(fā)送狀態(tài)。

電容經(jīng)過(guò)一段時(shí)間放電后，R端電壓轉變?yōu)榈碗娖?，則觸發(fā)器輸出低電平，把485芯片置回接收狀態(tài)。通過(guò)選擇電阻和電容值，我們可以控制放電速度，使得一個(gè)低電平的起始位足以在整個(gè)字節發(fā)送。此類(lèi)方案參數一致性非常差，實(shí)際使用的都是技高人膽大的。

優(yōu)勢：

無(wú)需軟件干預切換方向，驅動(dòng)能力強(取決于RS485芯片)。

劣勢：

1.增加的器件較多;

2.不同的波特率需要匹配不同的RC參數

3.溫度、老化、一致性等問(wèn)題，會(huì )導致RC參數變化，從而導致切換時(shí)間錯亂導致丟包。

max13487芯片：

為了克服軟件參與的方向控制不確定性，美信公司發(fā)布了宣稱(chēng)支持芯片自動(dòng)換向的RS485芯片，如下圖6，對比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引腳有兩個(gè)用于：

（1）/RE為低電平時(shí)，打開(kāi)RO方向的接收數據。

（2）RE為高電平時(shí)，芯片進(jìn)入自動(dòng)方向切換模式。

一般使用我們將/RE連接高電平，即自動(dòng)換向模式。

由于美信沒(méi)有公布內部的邏輯原理，只描述內部有一個(gè)狀態(tài)機，我們只能外部猜測其工作原理：

1.空閑模式下，數據流方向為RO方向;此為狀態(tài)1;

2.當串口端有數據發(fā)送時(shí)，由于起始位為低電平，經(jīng)過(guò)邏輯功能D后，A

4.經(jīng)過(guò)一系列的邏輯運算(以RI、DI為輸入，但是不知道其內部的原理);狀態(tài)機檢測到數據發(fā)送完畢，芯片變成接收狀態(tài)1。

周立功芯片RSM(3)485PHT：

周立功公司將RS485的三個(gè)相關(guān)的功能模塊：DC電源、隔離、RS485芯片三合一，封裝在同一個(gè)芯片內部，由于沒(méi)有內部的資料，我們無(wú)法獲知其內部的邏輯功能。資料宣稱(chēng)最高速率可以達到500Kbps，對于一般的應用足以。

上述我們提供了5種RS485自動(dòng)切換方向的方法：分別是反相器法、軟件控制法、觸發(fā)器法、美信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。

反相器法由于驅動(dòng)能力太弱、速率太低，僅適用于要求不高的調試場(chǎng)合，工控場(chǎng)合慎選。

軟件控制法對軟件的要求較高，特別是帶操作系統的芯片，軟件控制的時(shí)機較困難。

觸發(fā)器法由于參數一致性太差，只適合波特率恒定、速率不高的場(chǎng)合;

美信以及周立功提供的方案已經(jīng)芯片化，經(jīng)過(guò)了大量的市場(chǎng)驗證，且有大公司做背書(shū)，可靠性、溫度性都有很大的保障，優(yōu)先推薦。