RS-485在电表中的应用

摘要

　　本文讨论了使用RS-485设计电表通讯电路的一些最优设计方案。参照IEC 61036和DL/T645等相关标准，本文还讨论了元件选择和性能折衷问题。为帮助电表工程师成功地设计出自己的电路，本文还提供了一些参考设计的细节。

Abstract

　　This paper discusses best practices for designing energy meter communication circuits using RS-485. Component selection and performance tradeoffs are covered with reference to relevant standards such as IEC 61036 and DL/T645. Reference design details are provided to help energy meter engineers successfully complete their own circuit designs.

关键字

　　RS-485，自动读表系统(AMR)，网络化电表，TIA/EIA-485，ISO-8482，单位负载(UL)，瞬态电压电涌，

---

引言

电表(e meters)作为一种在供电地点度量用户用电量的仪表在全世界得到了广泛的应用。
传统的电表本质上是机电式仪表，如果要收集用户账号的用电信息就必须定期到现场查阅表的读数。最新一代的电表是具有网络通讯、自检和对各个时间段进行智能记帐等新特性的电子式仪表。

新一代电表可以对用户用电量进行监测、分析和信息存储。因为许多公共部门鼓励非高峰用电，可能在不同的时间段有不同的电价。所以，不仅需要计量总耗电量，还需要计量在每个时间段的耗电量。

同耗费大量的人力和财力的人工读表方式相比，电表联网的集中采集数据功能具有很大的优越性，在装表数量增多和人力成本提高的情况下尤为如此。因为，不必经常派人去接触分布在各个地方的电表，网络化的电表自动读表系统(AMR)还进一步减少了人身安全方面的问题。由于网络化电表在安装地点上更为灵活，所以安装成本也会更低一些。

网络的互连结构有总线、菊花链或树结构等多种方式可以采用。从互连的角度来看，总线结构相对来说是效率较高的结构之一。对总线式结构，一般尽量缩短主干总线长度。各个电表都通过短线连接到主干总线上，所有节点都可以得到总线上的信号。公共总线上的通讯，比如一个节点是否可以传送数据，通常由一个主节点来控制。

必须传送到电表和必须在电表之间传送的数据包括设置数据、用电量数据和诊断数据。在初装过程中、修复之后以及必须更新收费率或时间段数据时，需要把设置数据传送给电表。用电量数据可以从电表定期收集，它可能包括各个时间段的功率、电压和电流数据以及高峰用电量、平均用电量和其它统计数据。诊断数据不仅可以用来对功率分布状态进行抽样，也可以用来显示电表本身的状态。

有几种方式可用于同电表进行通讯。一个流行的方法是使用由TIA/EIA-485 和 ISO-8482标准定义的RS-485差分信令通过双绞线连接。这种方法具有噪声抑制性能高、信令速率高、可以在一个单独的总线上实现多节点以及能够使用的收发器品种多等优点。其它方法包括各种无线技术、通过电力线传送信令和本地红外(IR)链接。在这里，我们主要讨论基于485的解决方案。

RS-485接口

RS-485能够以半双工或全双工模式工作。实现全双工需要两对线，一个节点可以接收一对线上数据，并同时驱动另一对线。在半双工模式下，唯一的一对线既用于驱动也用于接收。不论哪种模式，总线上所有节点的运作都必须受到控制，以使得在任何时候在任何一对线上最多只有一个驱动器处于工作状态。

两个以上驱动器在相同的一对线上同时工作将导致数据传送错误，这种情况称为总线竞争。有以下几种控制策略可以避免总线竞争。一个是在总线上设置唯一的永久主节点，一个驱动器是否可以传送数据由永久主节点控制。另一个是通过优先权方案确定一个节点暂时充当主节点。还有一个策略是对总线上的每个节点分配不同的时间段。总线控制策略由系统设计者决定，策略的选择可能受到可用处理能力的限制。在需要同其他现存的网络通讯时，该网络已经采用的协议也可能限制设计者的选择范围。

图1 带有唯一主节点和多个副节点的半双工485网络

信号均衡

对于电表应用，RS-485信令有几个优点。因为使用了差分驱动器和接收器，50/60 Hz的交流干扰和高频(HF)干扰等外部噪声源得到有效抑制。信号均衡的理想情况是噪声等价地耦合到两条线上(共模)，此时差分噪声信号为零。如果电表网络线必须按照工厂或住宅来布线，在考虑到工业设备、家用电器和大气噪声等情况时，这种噪声抑制方法就非常重要。比如IEC 61036标准 规定了可以在频率范围为80MHz到1000 MHz，场强达10V/m的噪声条件下工作的测试仪表。TI的收发器(如SN65LBC182)可以良好地抑制这个频率范围的高频噪声，同时保持了对信令频率范围内的差分信号的灵敏度。

在使用RS-485设计通讯设备时，必须考虑这种均衡信号方法。电缆选择、连接器引脚设定和电路板布局应保持两条信令线彼此接近，以便保持它们具有相近的电气特性。无论是采用屏蔽线或非屏蔽线，最适合于RS-485的双绞线特征阻抗是100到120欧。连结器引脚位置应紧挨着。电路板上不同信号路径的引线长度应相同，以避免阻抗跃变(导致反射现象)或两个信号的阻抗失配。

信号电平和总线负载

符合485标准的驱动电路必须具有向54欧负载提供至少1.5V差分电压的能力。符合485标准的接收电路必须具有最低可以检测到200mV差分电压的能力。这两个准则对于保证节点之间可靠通讯给出了相当大的宽裕度，甚至当电缆和连结器上的信号严重失真时也可以保持系统正常工作。由于这个原因，RS-485非常适合于节点之间需要长线的应用，比如分布在工业现场或住宅小区的联网电表。

驱动器的实际差分输出依赖于它必须供给负载的电流。因为每一个接收节点都需要一定量的总线电流，所以工作驱动器必须提供的总电流随着总线上节点数目的增加而增大。485标准定义了单位负载(UL) 。在为485通讯所规定的总线电压范围(-7V 到12V)内，单位负载可以等效为大约12千欧的电阻。带有32个这样的单位负载再加上两个120欧的终端电阻(在该总线两个末端上)，一个驱动器必须提供负载电流的总负载为54欧。DL/T 645等工业标准反映了这些考虑，DL/T 645 标准规定一个接口至少应具有处理32个负载的能力。

SN65LBC182 和 SN65LBC184等收发器有"小单位负载"的款式，这意味着这些产品需要从总线获得的电流较小。所以，使用这些1/4单位负载收发器的网络可以连接多达128个节点而不会使任何同485匹配的驱动器过载。

总线长度

随着总线长度的增加，有几个因素可能会导致差分信号传送质量的降低。铜线的电阻会导致信号电平的下降，但通常并不严重 。影响更为严重的是信号的高频成分衰减。这将造成信号脉冲边缘平滑，并将导致信号间互扰(ISI)和位时序抖动(bit timing jitter)。因为存在这些现象，必须认真考虑总线长度和信令速率的配合问题。对于大多数电表应用，信令速率低于250 kbps就足够了。DL/T 645标准规定信令速率应低于100 kbps。在这个速率下，高频信号衰减在总线长度低于1200米时可以忽略。SN65LBC182和 SN65LBC184等收发器对这些信令速率的驱动输出进行了优化，从而降低了电磁干扰(EMI)程度，减少了总线上引线反射所产生的问题。

接口隔离

在许多应用中，我们希望在电气上把总线上的各种节点隔离开来以消除由于接地环、传导噪声、高频共模电压等超出了RS-485共模电压范围的干扰信号。下图展示了一个隔离接口的例子。对于采用节点控制器连接到单一收发器的信号需要3个光电耦合器。这里采用一个隔离的电压源(用VBUS表示)向收发器和与之相关的偏置元件供电。该节点的其它部分由VNODE供电(通常来自变压器其它绕组)。只要保持整个接口的电气隔离，通讯就不受局部节点和总线接地之间的电位差的影响。

图2 典型的隔离式RS-485接口电路

该电路的元件选择比较简单。选择光电耦合器 需要考虑的主要参数是上升时间、下降时间和电流传输比。上升和下降时间同信令速率有关。按照485标准所要求的信号质量，对于任何信号过渡过程，上升时间不应超过位时间(bit time)的30%(位时间是信令速率的倒数)。对于DL/T 645规定的100kbps的最大信令速率，最大上升/下降时间为3微秒。

{ trise ,tfall }≤30%·(1/信号速率)=0.3·(1/100kpbs)=3μs

 

因此，对所要求的信令速率，设计者在选择光电耦合器时必须确认该元件的上升时间和下降时间足够短。

电流传输比(CTR)是输出电流和输入电流之比，CTR的大小同电路的驱动能力和逻辑阈值有关。光电耦合器必须具有可以在各种条件下切换有效逻辑电平的能力。典型CTR范围为75%到300%。

上拉电阻(R2、R3和R5) 限制了流过LED的电流。如果R2电阻值过大，电路将不能提供可靠转换所需要的足够大的电流，而电阻值过小将使驱动逻辑级的输出级饱和。当R2的电阻值为330欧时，允许流过LED的电流大约为10mA，这对大多数光电耦合器是合适的。

光电三极管的偏置电阻 (R1、R4和 R6) 为隔离的逻辑输出设定了电压电平。对于一个典型的光电耦合器(CTR大于50%、LED电流为10mA)，电阻值取为5.1 千欧可以为切换逻辑电平提供足够的宽裕度：

光电三极管_输出 LOW =VNODE-(ILED·CTR)RBIAS≈0V
光电三极管_输出 HIGH =VNODE-(ILED·CTR)RBIAS≈VNODE V

故障保护偏置

在正常工作条件下，485总线通过工作驱动器送出一个幅度超过485的200mV阈值的有效差分信号。当一个节点同总线断开时，接收器的输入端检测到一个开路信号，此时总线处于不确定状态。这个条件可以导致某些485接收器输出一个随机状态。SN65LBC182和SN65LBC184等收发器对总线开路有故障保护功能。通过在总线引脚上加一个小偏置(12 μA) ，当总线开路时接收器输出一个已知的状态(逻辑高电平)。这个小偏置在正常工作条件下不起什么作用。

另一个有问题的情况称为空闲总线情况。它发生在节点连接到带有终端电阻的总线但没有活动驱动器的情况下。该总线没有主动地转换到一个有效的485状态，而终端电阻趋向于把差分电压降低到零伏。DL-T/645规范要求高状态空闲总线。为符合DL-T/645的要求，可以增加总线偏置电阻。如图3中R7和R8所示，在无活动驱动器的总线条件下，这两个电阻将提供可以产生一个有效逻辑状态的偏置。

对于在每个末端用一个120欧电阻端接的总线(总终端电阻为60欧)，一个4mA的偏置电流将产生一个高于485标准所规定的200mV阈值的差分电压。在供电电压为5V时，这个4mA电流要求R7和R8的电阻值为600欧。你不能在所有节点都这样做，因为这样的硬连线故障保护电路必须使总的有效上拉/下拉电阻为大约600欧。由于节点数目常常是变化的，通常建议仅在总线上的一个位置加上拉/下拉电阻(通常在主节点)。另一个方法是对在电表网络的两个最远端节点增加终端电阻和偏置电阻。这个方法如下面的方案图所示(见图3)。这种方案通过开关插入端接电阻和故障保护偏置电阻，不管是末端节点或中间节点，总线上每一个节点的结构都可以现场调整 。

图3 典型的带有终端电阻和故障保护偏置电阻的终端节点

当任何一个节点驱动总线到低状态时，偏置网络也相当于总线上的一个电流负载。在共模偏移最坏的情况下，偏置电路的有效负载大约为20个单位负载。使用1/4单位负载收发器(如SN65LBC182或SN65LBC184)，在加上故障保护偏置电阻之后，这种偏置方法最多允许在一个总线上连接48个节点。

收发器的最大数目=(32单位负载-20单位负载)/每个收发器的单位负载

例如，对于LBC182，

LBC182的最大数目=12单位负载/每个收发器的1/4单位负载=48个收发器

用户常常产生这样的问题：我是否应该加入终端电阻？端接电流确实增加网络的总功率。但是在每个末端使用等于该电缆的特性阻抗的终端电阻可以减小由于阻抗跃变产生的信号反射。特别对于电表应用等电缆长度比较长的情况，建议采用终端电阻以保证数据信号一致。

表1 故障保护偏置选择

网络	收发器	总线偏置	最大接收器数目
有终端电阻	1/4 单位负载	R7 = R8 = 600 Ω(仅在主节点上)	48
有终端电阻	1/4单位负载	R7 = R8 = 1.2 kΩ(仅在两个末端节点上)	48

瞬态电压保护

瞬态电压电涌可以由雷击、设备突然停机、感性负载切换和其它原因引起。ISO标准IEC 61000-4-5 描述了使用可以模仿这些条件波形来测试电路的一些方法。

图4 用于瞬态电压测试的波形

如果两条差分线承受相同的电涌，完全隔离的总线应有一些保护电涌电压的措施。可以使用分立的瞬态电压抑制(TVS)齐纳二极管 或通过选择一个带有集成瞬态电压抑制的收发器对总线做进一步的瞬态电压保护。在选定TVS元件时，关键的参数是嵌位电压和耗散功率。

嵌位电压是齐纳二极管用来锁定总线电平的电压，这个电压不能太高以免破坏保护电路。但是，如果嵌位电压太低，在收发器的工作范围内齐纳二极管将被击穿。这个范围485标准规定为-7到12V。

耗散功率速率是嵌位电压和流过该设备的峰值电流的积，它显示了TVS二极管可以承受而不被损坏的峰值功率。

SN65LBC184已经在每个总线引脚上集成了TVS齐纳二极管。这种方法保护节点不会由于浪涌电压而受损坏，峰值耗散功率为400W。嵌位电压选定为16V，这个电压在485正常工作范围之外，足以保护收发器的电路。同分立齐纳二极管方式相比，集成TVS方式减小了电路板占位并节省了成本。

静电释放保护

在操作或电缆连结过程中，静电释放(ESD)可能损坏接口的集成电路。在选择收发器时，总线引脚的ESD保护值高的收发器可以保证电表应用电路的可靠性。有几个标准可以用来选定ESD保护值，其中，JEDEC标准(HB M )建立了一个人体ESD模型，ISO标准 建立了带电物体的空气放电和接触放电模型。IEC 61036标准要求测试8kV的金属表面接触放电(比如接口连接器)。DL/T 645标准要求电表通讯元件可以容许15kV 的HBM ESD放电。

收发器选择

德州仪器制造了几种适于在电表中使用的收发器。一个特定的收发器的选择将取决于对一个专门应用的要求和限制。表2对这些应用列出了几种可选方案。

表1 TI 485 收发器在电表中的应用

SN65…或 SN75…收发器	供电电压	集成的400WTVS	信号速率	单位负载	ESD 保护
LBC182	5V	否	可达250 kbps	1/4	±8 kV (接触) ±15 kV (空气) ±15 kV (HBM)
LBC184(带有集成的TVS)	5V	是	可达250 kbps	1/4	>±30 kV (接触 > ±15 kV (空气) > ±15 kV (HBM)

参考文献

·"Interface Circuits for TIA/EIA-485 (RS-485)", Texas Instruments Design Notes, SLLA036
·"TIA/EIA-485 (RS-485)接口电路", TI设计备忘录, SLLA036
·"422 and 485 Standards Overview and System Configurations", Texas Instruments Application Report, SLLA070
·"422 和 485 标准概览和系统结构", TI公司应用报告, SLLA070
·TIA/EIA-485-A, "Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Mutipoint Systems"
·TIA/EIA-485-A, "用于均衡式数字多点系统的发电机和接收器的电器特性"
·TIA/EIA-TSB 89, "Application Guidelines for TIA/EIA-485-A"
·TIA/EIA-TSB 89, "TIA/EIA-485-A应用指南"
·ISO/IEC 8482, "Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Twisted pair multipoint interconnections"
·ISO/IEC 8482,"信息技术-系统之间的远程通讯和信息交换- 双绞线多点互连"
·Texas Instruments web site, www.ti.com
·TI公司网站, www.ti.com
·DL/T 645-1997 "Multi-function watt-hour meter communication protocol", People's Republic of China, Ministry of Electricity
·CEI/IEC 61036:1996+A1:2000, "Alternating current static watt-hour meters for active energy (classes 1 and 2)", International Electrotechnical Commission
·DL/T 645-1997 "多功能瓦-时电表通讯协议"， 中华人民共和国电力工业部
·CEI/IEC 61036:1996+A1:2000, "动力电交流静态瓦-时表 (1类和2类)"，IEC