作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級系統工程師
在工業(yè)廠(chǎng)房、商用樓宇及家居住房中，電子能量計正逐步取代那些較早的機械式能量計。這些新型的能量計能記錄在一天內 不同時(shí)段的能量使用情況，甚至還可以記錄各種不同的功耗形式（例如：有功耗與無(wú)功耗形式），從而開(kāi)出多費率的賬單。與機械 能量計相比，電子能量計不但提供了更高的測量精度，而且還大大降低了功耗。
電子能量計 (e-meter) 本身具有可編程性，其可以通過(guò)軟件對一個(gè)基本硬件設計進(jìn)行輕松地重新配置，以用于各種不同的應 用。這樣做最大的一個(gè)好處在于自動(dòng)讀表 (AMR) 功能，即通過(guò)組網(wǎng)通信收集數據的能力。
由于能量計的工作環(huán)境較為惡劣和嘈雜，穩健的 RS-485 差分信號傳輸成為遠程數據傳輸的首選方法。
本文提供了一些針對 RS-485 通信電路的設計指南，以幫助設計工程師構建一個(gè)穩健的電子能量計網(wǎng)絡(luò )。
能量計功能概述
圖 1 為一個(gè)電子能量計的結構圖。位于電壓傳感器模塊中的分壓器將進(jìn)線(xiàn)電壓（L1 至 L3 以及中線(xiàn)）衰減，同時(shí)位于電流傳感 器單元的分流電阻器將對線(xiàn)電流強度進(jìn)行測量。通過(guò)位于計量處理器內的模數轉換器級，其模擬輸出被轉換為數字數據，并將 這些數據反饋至終端模塊，從而使電子能量計對于電氣安裝來(lái)說(shuō)變得更為透明。
圖 1 電子能量計的簡(jiǎn)化結構圖
點(diǎn)擊此處查看全圖 計量處理器執行四象限乘積運算，以確定有源功耗和加載于電源 (mains) 上的無(wú)源 (reactive) 功耗。計算結果將被前向傳輸至 系統控制器，除了顯示和內存管理以外，該控制器還通過(guò) RS-485 接口控制著(zhù)能量計與中央數據收集點(diǎn)之間的數據傳輸。
總線(xiàn)實(shí)施
由于在總線(xiàn)結構中，RS-485 要求能量計節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )化連接（見(jiàn)圖 2），因此接口總線(xiàn)可以設計為半雙工，或全雙工傳輸（見(jiàn)圖 3）。
圖 2 采用 RS-485 接口的能量計網(wǎng)絡(luò )的總線(xiàn)結構
點(diǎn)擊此處查看全圖 全雙工的實(shí)施需要兩個(gè)信號對（4 線(xiàn)），和全雙工收發(fā)器，該收發(fā)器帶有用于發(fā)送器和接收機的單獨總線(xiàn)接入線(xiàn)。全雙工允許 一個(gè)節點(diǎn)在一個(gè)信號對上傳輸處理過(guò)的數據，同時(shí)在另一個(gè)信號對上接收配置數據。
在只有半雙工傳輸的情況下，才使用一個(gè)信號對來(lái)驅動(dòng)和接收在不同的時(shí)段所出現的信號。
兩種傳輸的實(shí)施方法均需要對所有節點(diǎn)進(jìn)行可控操作，以確保任何時(shí)間總線(xiàn)上都只有一個(gè)驅動(dòng)器處于開(kāi)啟狀態(tài)。在同一時(shí) 間有一個(gè)以上接入總線(xiàn)的驅動(dòng)器的情況會(huì )導致總線(xiàn)爭用的情況發(fā)生，總線(xiàn)爭用這種情況必須通過(guò)軟件控制來(lái)加以避免。
圖 3 RS-485 中的半雙工和全雙工總線(xiàn)結構
平衡信號
電子能量計應用受益于絞線(xiàn)對線(xiàn)纜上的差分信號，這是因為來(lái)自工業(yè)機械與家電的外部噪聲等量地耦合至兩條信號線(xiàn)中， 形成了共模噪聲，而差分接收機輸入將會(huì )抑制這種共模噪聲。
采用 RS-45 通信接口的設備設計必須要具有可平衡接入網(wǎng)絡(luò )信號的方法。線(xiàn)纜的選擇、連接器的引腳配置和電路板布局都 應該使兩個(gè)信號線(xiàn)保持閉合并保持相等的距離，從而保持其電氣特性。
推薦使用的網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)纜為帶有覆層的非屏蔽絞線(xiàn)（見(jiàn)圖 4），其具有值為 120 的特性阻抗和 22 " 24 AWG。
圖 4 RS-485 通信線(xiàn)纜示例
信號電平
RS-485 標準配置驅動(dòng)器在一個(gè) 54 負載的范圍內提供了一個(gè)最小值為 1.5V 的差動(dòng)輸出，同時(shí)標準配置接收機探測到一個(gè)低 至 200 mV 的差動(dòng)輸入（見(jiàn)圖 5）。即使是在線(xiàn)纜和連接器出現嚴重的信號衰減的情況下，這兩個(gè)值也能提供足夠的裕度來(lái)實(shí)現可 靠的數據傳輸。這種穩健性就是 RS-485 可以應用于能量計之間（尤其是在嘈雜的環(huán)境中）進(jìn)行長(cháng)距離網(wǎng)絡(luò )傳輸的主要原因。
圖 5 RS-485 規定的最小總線(xiàn)信號電平
點(diǎn)擊此處查看全圖 總線(xiàn)負載
由于驅動(dòng)器的輸出取決于電流，所以其必須流入一個(gè)負載。在總線(xiàn)上添加接收機增加了所需的總負載電流。為了估測總線(xiàn)負 載可能的最大值，RS-485 規定了一個(gè)術(shù)語(yǔ)，即單位負載 (UL)，用來(lái)表示一個(gè)值大約為 12k 的負載阻抗。除了每個(gè)線(xiàn)纜末端的 120 個(gè)終端電阻器以外，標準配置的驅動(dòng)器還必須能夠驅動(dòng) 32 個(gè)這樣的單位負載。DL/T645 標準中也要求具有驅動(dòng) 32 個(gè) UL 的這種 驅動(dòng)能力。當前的收發(fā)器一般都可提供較小的單位負載，例如 1/8 UL，這樣就可在總線(xiàn)上連接多達 256 個(gè)收發(fā)器。
由于傳輸線(xiàn)路上的損耗以及在給定數據速率情況下的信號抖動(dòng)，最大總線(xiàn)長(cháng)度受到了限制，這是因為數據可靠性在一個(gè) 10% 或者更長(cháng)的波特周期內會(huì )急劇下降。圖 6 顯示的是在 10% 的信號抖動(dòng)情況下，線(xiàn)纜長(cháng)度與一個(gè)傳統 RS-485 驅動(dòng)器的數據 速率特性的關(guān)系。
圖 6 線(xiàn)纜長(cháng)度與數據速率的關(guān)系
點(diǎn)擊此處查看全圖 點(diǎn)狀虛線(xiàn)表示在電子能量計應用中所使用的最高數據速率 (250 kbps)，以及在 DL/T645 中規定的數據速率 (100 kbps)。兩個(gè)數 據都正好位于曲線(xiàn)的變形點(diǎn)下方，該曲線(xiàn)顯示了一個(gè)長(cháng)達 4000 英尺的最大可能的線(xiàn)纜長(cháng)度。
終端和短截線(xiàn) (stub) 長(cháng)度
長(cháng)距離數據傳輸線(xiàn)（特別是在電子能量計網(wǎng)絡(luò )中）應該一直被封端 (terminated)，并且短截線(xiàn)長(cháng)度應該盡可能的短，以避免在 傳輸線(xiàn)上發(fā)生信號反射。適當的終端需要端接電阻 RT 與傳輸線(xiàn)纜上的特性阻抗 Z0 相匹配。由于RS-485建議使用 Z0 阻抗值為 120 的線(xiàn)纜，所以線(xiàn)纜干線(xiàn)一般用 120 個(gè)電阻器進(jìn)行封端，每個(gè)線(xiàn)纜末端放置一個(gè)電阻器（見(jiàn)圖 3）。
短截線(xiàn)的電氣長(cháng)度（收發(fā)器與線(xiàn)纜干線(xiàn)之間的距離）應該短于驅動(dòng)器的輸出上升時(shí)間 (tr) 的1/3。表 1 列出了最大短截線(xiàn)長(cháng)度 ，以及不同最短上升時(shí)間所對應的非封端線(xiàn)纜的最大可能長(cháng)度。
器件名稱(chēng) 信號速率 (kbps) 上升時(shí)間 tr (ns) 短截線(xiàn)長(cháng)度 （英尺） 非封端線(xiàn)纜的長(cháng)度（英尺）
SN65HVD12 1000 100 25 7
SN65LBC184 250 250 64 19
SN65HVD3082E 200 500 128 38
表 1 短截線(xiàn)長(cháng)度與上升時(shí)間
具有較長(cháng)上升時(shí)間的驅動(dòng)器非常適用于電子能量計應用。較長(cháng)的上升時(shí)間不但允許更長(cháng)的短截線(xiàn)長(cháng)度，而且還能極大地減 少器件產(chǎn)生的 EMI 值。
自動(dòng)防護功能
在正常的工作條件下，RS-485 總線(xiàn)具有一個(gè)由有源驅動(dòng)器加載的有效信號， 從而產(chǎn)生了一個(gè)高于 200 mV 閾值的差分電壓。 當一個(gè)節點(diǎn)與總線(xiàn)的連接被斷開(kāi)，同時(shí)接收機輸入探測到一個(gè)開(kāi)路，那么總線(xiàn)就不是處于封端狀態(tài)。這種開(kāi)路總線(xiàn)電路情況可 能會(huì )導致一些接收機處于隨機輸出狀態(tài)。但是，具有集成開(kāi)路總線(xiàn)自動(dòng)防護特性的收發(fā)器會(huì )在其總線(xiàn)引腳上加載一個(gè)較小的偏 置電流 (12A)，從而在開(kāi)路總線(xiàn)電路條件下產(chǎn)生一個(gè)眾所周知的接收機輸出狀態(tài)。
當總線(xiàn)收發(fā)器均為無(wú)源狀態(tài)時(shí)將會(huì )出現空閑總線(xiàn)的情況，這成為另一難題。然后，驅動(dòng)器輸出為高阻抗，同時(shí)低阻抗端接電 阻會(huì )將差分總線(xiàn)電壓降低至近 0V。在這種情況下，沒(méi)有內部空閑總線(xiàn)自動(dòng)防護 (IBF) 功能的收發(fā)器易于出現振蕩，并且需要外 部偏置電阻器?，F在的一些設計通過(guò)在 0V 以上偏置其接收機閾值均包含了 IBF 功能。因此，它們能探測到一個(gè) 0V 總線(xiàn)電壓， 從而驅動(dòng)接收機進(jìn)入一個(gè)已設定好的邏輯狀態(tài)。
對于需要外部自動(dòng)防護偏置的接收機而言，偏置電阻器 RB 只能放在主節點(diǎn)處，或放在電子能量計網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)末端處（見(jiàn)圖 7）。
圖 7 離散空閑總線(xiàn)自動(dòng)防護偏置
點(diǎn)擊此處查看全圖 由于自動(dòng)防護偏置會(huì )增加總線(xiàn)負載，總線(xiàn)收發(fā)器最大數量 N 的計算為：
因此，當使用 1/4 UL 收發(fā)器時(shí)，連接至總線(xiàn)的器件可以多達 48 個(gè)。
為了方便使用，表 2 列出了許多不同的自動(dòng)防護偏置選項。
網(wǎng)絡(luò ) 收發(fā)器 總線(xiàn)偏置 收發(fā)器的最大數量
R7=120Ω、5%、
%W 不具有 IBF 功能的 1/4 單位負載 R4=600Ω、5%、
%W
只在主節點(diǎn)處 48
R7=120Ω、5%、
%W 不具有 IBF 功能的 1/4 單位負載 R4=1.2kΩ、5%、
%W
在線(xiàn)纜兩個(gè)末端處 48
R7=120Ω、5%、
%W 具有 IBF 功能的 1/8 單位負載 無(wú)需 R4 256
表 2 自動(dòng)防護偏置選項
隔離
長(cháng)距離數據鏈路一般都將總線(xiàn)收發(fā)器與本地節點(diǎn)控制器電路進(jìn)行電氣隔離，從而避免了由于接地環(huán)路、傳導噪聲或超過(guò) RS -485 共模電壓范圍的高共模電壓產(chǎn)生的各個(gè)問(wèn)題。圖 8 給出了一個(gè)隔離接口的示例。
圖 8 能量計網(wǎng)絡(luò )：主節點(diǎn)為所有隔離從節點(diǎn)提供了信號接地參考
點(diǎn)擊此處查看全圖 一個(gè)三通道數字隔離器隔離了收發(fā)器單端側與節點(diǎn)控制器之間的信號路徑和方向控制線(xiàn)。一個(gè)隔離式 DC–DC 轉換器將本地 節點(diǎn)電源 VNODE 轉換成收發(fā)器電源 VBUS，從而提供一個(gè)穿越隔離層的電源。
只要整個(gè)接口保持了電氣隔離，本地節點(diǎn)與總線(xiàn)接地之間的電壓差就不會(huì )對通信產(chǎn)生影響。
由于總線(xiàn)收發(fā)器必須參考一個(gè)穩定的共有參考電壓，因此主節點(diǎn)為網(wǎng)路中唯一的一個(gè)非隔離節點(diǎn)。主節點(diǎn)的接地電壓通過(guò) 一個(gè)單獨的接地線(xiàn)（紅色）與所有從節點(diǎn)回路終端相連，從而為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供了一個(gè)單一的接地參考。
結論
TI 擁有廣泛的 RS-485 收發(fā)器設計，這些設計專(zhuān)門(mén)針對能量計應用而優(yōu)化。這些器件具有低 EMI、低功耗 (1/8 UL)、高 ESD 保 護（從 16 kV 至高達 30 kV）以及開(kāi)路、短路和空閑總線(xiàn)條件下集成的自動(dòng)防護等特性。對于需要隔離的能量計應用而言，該產(chǎn)品 范圍可擴展至雙通道、三通道和四通道單向和雙向數字隔離器（從 DC 至 150 Mbps），以及隔離式 DC/DC 轉換器（帶有 3V 和 5V 穩壓輸出功能），以此來(lái)提供穿越隔離層的電源。
參考文獻
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http://focus.ti.com/lit/an/slla036c/slla036c.pdf《TIA/EIA-485-A》，《生成器的電氣特性》以及《平衡數字多點(diǎn)系統中所使用的接收機》，網(wǎng)址：
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