深度分析RS485方向切换的几种几个案例优劣势

xiaocaihong

RS485作为常见的总线之一，几乎每个工控设备都在用，我们也对其熟悉不过了。我们都知道RS485双半双工通信，其CPU内部的根源是串口通信，串口通信是区分发送TX和接收RX的，在同一对差分信号线上同时传输TX、RX，就是进行方向的控制，方向的控制时机不对，数据传送是要出问题的。例如下图1、图2中，CPU端的TX信号发送完毕后约100uS后方向引脚 拉低，切换到接收状态，但是在TX信号发送完毕后60uS从机就回复了的RX信号，由于此时还是处于RS485芯片还是处于发送状态，此时的接收数据将会被忽略，在系统层面就是体现为数据接收丢包。
图1 RS485 接口电路有些读者会可能回想，只要从机回复数据晚一些，不要这么快速回复，就不存在这个问题了。但是从机一般都是客户的机器，我们几乎不可能要求别人更改回复时间。例如三菱的Fx3U PLC作为从机时，从主机发送数据结束到从机回复数据，只用了60uS，部分控制板，甚至回复时间在10uS以内。
研究RS485的方向切换的目标就是：RS485总线空闲时要处于接收状态，如果有主机发送数据，则置高方向引脚，发送完成及时切换到接收状态。
图2 方向脚切换时间过长的情形
一、RS485方向切换的方案1：使用反相器自动切换大部分的低成本RS232-RS485转换器采用了这种方法。具体的实现方法是:把串口的发送信号TX作为反相器的输入，反相器的输出则用来控制RS485收发器的收发控制引脚,同时在RS485收发器的A/B输出端加上上拉/下拉电阻,具体电路如图3所示。图3 使用反相器自动切换电路在空闲状态下,串口的发送信号TXD为高电平,经过反相器后输出低电平,使485芯片处于接收状态,而RS485总线由于上下拉电阻的作用处于A高B低的状态。当发送数据时，TXD信号线上的低电平比特位控制485芯片进入发送状态,将该比特发送出去。而高电平比特位则使485芯片处于接收状态,由于RS485总线上下拉电阻把总线置于A高B低的状态,即表示发送了高电平。
简单说，这种电路，就是发送低电平时，485芯片是 发送状态，而发送高电平时，485芯片属于接收状态。
优势：只需要增加一个反相器就可以实现，无需软件的干预，反相器可以使用一个三极管即可以实现，成本十分低廉（几分钱）；
劣势：由于上下拉电阻不可能选值太小，否则会影响正常发送的数据电平。所以这种换向模式在发送高电平时的驱动能力，并且，理论上我要求方向引脚要比数据先切换方向，但是由于方向引脚经过了反相器，达到芯片的时间变长了，比数据晚到，所以速率太高的情况容易丢包。如果需要驱动多个从设备，就会显得力不从心，并且驱动能力太弱，只能短距离传输；并且传输速度不能太快，一般使用9600bps。 二、RS485方向切换的方案2：使用软件控制方向市面上大部分的内置RS485的产品基本都是采用此类的方案，如下图4中的RS_EN引脚。具体的 实现方式是：在空闲器件，RS_EN 为低电平，MCU处于接收状态，在准备发送数据之前，MCU会拉高RS_EN，U1处于发送状态，发送完毕之后，RS_EN重新处于低电平，U1处于接收状态。

图4 使用软件控制方向切换此类方案的关键是软件需要掌握好RS_EN引脚的高低电平的时机，假设发送完数据后，没有及时切换到接收状态，而此时从机又回复数据，此时就会引起丢包，就会出现文章开头图2中的情形。不幸的时，软件工程师的水平参差不齐，特别是在运行操作系统（Linux、WIndows等）以后，想要十分准确控制方向引脚的高低电平已经十分困难。
优势：

无需增加任何的硬件成本，且RS485的驱动能力不受影响。
劣势：

依赖于软件控制方向引脚，如果运行复杂的操作系统，控制引脚的优先级不够高，或者软件的优化的不够好，都会导致方向引脚的切换不及时，到时数据的丢包。并且，是否丢包还取决于从机的回复时间，测试过程不一定能够测试出来。 三、RS485方向切换的方案3：使用触发器控制方向为了克服反相器换向的缺点,出现了一种由RS触发器控制的自动换向技术,如图5所示。这个电路的关键是反相器和RS触发器之间的由二极管、电阻、电容组成的充放电电路。在空闲状态下,485芯片仍处于接收状态。当TXD信号线上发送数据的低电平起始位时,反相器输出高电平,通过二极管为电容迅速充电,使RS触发器R端为高电平,S端为低电平,触发器输出高电平,把ISL3152E置于发送状态;当TXD信号线转换为高电平时,反相器输出低电平,电容通过电阻缓慢放电,使得R端暂时仍处于高电平状态,加上S端的高电平状态,使触发器的输出保持前面的高电平状态,485芯片仍处于发送状态。电容经过一段时间放电后,R端电压转变为低电平,则触发器输出低电平,把485芯片置回接收状态。通过选择电阻和电容值,我们可以控制放电速度,使得一个低电平的起始位足以在整个字节发送。此类方案参数一致性非常差，实际使用的都是技高人胆大的。
图5 使用触发器切换方向优势：

无需软件干预切换方向，驱动能力强（取决于RS485芯片）。
劣势：

1.增加的器件较多；2.不同的波特率需要匹配不同的RC参数3.温度、老化、一致性等问题，会导致RC参数变化，从而导致切换时间错乱导致丢包。 四、RS485方向切换的方案4：max13487芯片
为了克服软件参与的方向控制不确定性，美信公司发布了宣称首款支持芯片自动换向的RS485芯片，如下图6，对比其他的RS485芯片，MAX16487的/RE引脚有两个用于：
（1）/RE为低电平时，打开RO方向的接收数据。（2）/RE为高电平时，芯片进入自动方向切换模式。一般使用我们将/RE连接高电平，即自动换向模式。
图6 MAX13487 内部框图由于美信没有公布内部的逻辑原理，只描述内部有一个状态机，我们只能外部猜测其工作原理：1.空闲模式下，数据流方向为RO方向；此为状态1；2.当串口端有数据发送时，由于起始位为低电平，经过逻辑功能D后，A＜B，经过COM3.逻辑功能且反相后，RI为高电平。此状态为数据发送状态2。4.经过一系列的逻辑运算（以RI、DI为输入，但是不知道其内部的原理）；状态机检测到数据发送完毕，芯片变成接收状态1。
优势：由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通信速率高，MAX13488 宣称最高可以到16Mbps，与普通的RS485芯片性能一样。
劣势：价格比普通的RS485芯片贵一倍以上。 五、RS485方向切换的方案5：周立功芯片RSM(3)485PHT
周立功公司将RS485的三个相关的功能模块：DC电源、隔离、RS485芯片三合一，封装在同一个芯片内部，由于没有内部的资料，我们无法获知其内部的逻辑功能。官方资料宣称最高速率可以达到500Kbps，对于一般的应用足以。
优势：由芯片自动切换方向，无需软件干预切换方向，驱动能力强，通信速率高，DC电源、隔离、RS485芯片功能三合一，节省板卡空间。
劣势：价格比分立器件搭建RS485电路贵，且一旦损害需要要整体更换。 图7 RSM(3)485PHT原理图 六、总结
上述我们提供了5种RS485自动切换方向的方法：分别是反相器法、软件控制法、触发器法、美信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。
反相器法由于驱动能力太弱、速率太低，仅适用于要求不高的调试场合，工控场合慎选。
软件控制法对软件的要求较高，特别是带操作系统的芯片，软件控制的时机较困难。触发器法由于参数一致性太差，只适合波特率恒定、速率不高的场合；
美信以及周立功提供的方案已经芯片化，经过了大量的市场验证，且有大公司做背书，可靠性、温度性都有很大的保障，优先推荐。