利用 RS-485 接口构建稳健的能量计网络

作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级系统工程师
在工业厂房、商用楼宇及家居住房中，电子能量计正逐步取代那些较早的机械式能量计。这些新型的能量计能记录在一天内 不同时段的能量使用情况，甚至还可以记录各种不同的功耗形式（例如：有功耗与无功耗形式），从而开出多费率的账单。与机械 能量计相比，电子能量计不但提供了更高的测量精度，而且还大大降低了功耗。
电子能量计 (e-meter) 本身具有可编程性，其可以通过软件对一个基本硬件设计进行轻松地重新配置，以用于各种不同的应 用。这样做最大的一个好处在于自动读表 (AMR) 功能，即通过组网通信收集数据的能力。
由于能量计的工作环境较为恶劣和嘈杂，稳健的 RS-485 差分信号传输成为远程数据传输的首选方法。
本文提供了一些针对 RS-485 通信电路的设计指南，以帮助设计工程师构建一个稳健的电子能量计网络。
能量计功能概述
图 1 为一个电子能量计的结构图。位于电压传感器模块中的分压器将进线电压（L1 至 L3 以及中线）衰减，同时位于电流传感 器单元的分流电阻器将对线电流强度进行测量。通过位于计量处理器内的模数转换器级，其模拟输出被转换为数字数据，并将 这些数据反馈至终端模块，从而使电子能量计对于电气安装来说变得更为透明。

图 1 电子能量计的简化结构图点击此处查看全图
计量处理器执行四象限乘积运算，以确定有源功耗和加载于电源 (mains) 上的无源 (reactive) 功耗。计算结果将被前向传输至 系统控制器，除了显示和内存管理以外，该控制器还通过 RS-485 接口控制着能量计与中央数据收集点之间的数据传输。
总线实施
由于在总线结构中，RS-485 要求能量计节点网络化连接（见图 2），因此接口总线可以设计为半双工，或全双工传输（见图 3）。

图 2 采用 RS-485 接口的能量计网络的总线结构点击此处查看全图
全双工的实施需要两个信号对（4 线），和全双工收发器，该收发器带有用于发送器和接收机的单独总线接入线。全双工允许 一个节点在一个信号对上传输处理过的数据，同时在另一个信号对上接收配置数据。
在只有半双工传输的情况下，才使用一个信号对来驱动和接收在不同的时段所出现的信号。
两种传输的实施方法均需要对所有节点进行可控操作，以确保任何时间总线上都只有一个驱动器处于开启状态。在同一时 间有一个以上接入总线的驱动器的情况会导致总线争用的情况发生，总线争用这种情况必须通过软件控制来加以避免。

图 3 RS-485 中的半双工和全双工总线结构
平衡信号
电子能量计应用受益于绞线对线缆上的差分信号，这是因为来自工业机械与家电的外部噪声等量地耦合至两条信号线中， 形成了共模噪声，而差分接收机输入将会抑制这种共模噪声。
采用 RS-45 通信接口的设备设计必须要具有可平衡接入网络信号的方法。线缆的选择、连接器的引脚配置和电路板布局都 应该使两个信号线保持闭合并保持相等的距离，从而保持其电气特性。
推荐使用的网络线缆为带有覆层的非屏蔽绞线（见图 4），其具有值为 120 的特性阻抗和 22 " 24 AWG。

图 4 RS-485 通信线缆示例
信号电平
RS-485 标准配置驱动器在一个 54 负载的范围内提供了一个最小值为 1.5V 的差动输出，同时标准配置接收机探测到一个低 至 200 mV 的差动输入（见图 5）。即使是在线缆和连接器出现严重的信号衰减的情况下，这两个值也能提供足够的裕度来实现可 靠的数据传输。这种稳健性就是 RS-485 可以应用于能量计之间（尤其是在嘈杂的环境中）进行长距离网络传输的主要原因。

图 5 RS-485 规定的最小总线信号电平点击此处查看全图
总线负载
由于驱动器的输出取决于电流，所以其必须流入一个负载。在总线上添加接收机增加了所需的总负载电流。为了估测总线负 载可能的最大值，RS-485 规定了一个术语，即单位负载 (UL)，用来表示一个值大约为 12k 的负载阻抗。除了每个线缆末端的 120 个终端电阻器以外，标准配置的驱动器还必须能够驱动 32 个这样的单位负载。DL/T645 标准中也要求具有驱动 32 个 UL 的这种 驱动能力。当前的收发器一般都可提供较小的单位负载，例如 1/8 UL，这样就可在总线上连接多达 256 个收发器。
由于传输线路上的损耗以及在给定数据速率情况下的信号抖动，最大总线长度受到了限制，这是因为数据可靠性在一个 10% 或者更长的波特周期内会急剧下降。图 6 显示的是在 10% 的信号抖动情况下，线缆长度与一个传统 RS-485 驱动器的数据 速率特性的关系。

图 6 线缆长度与数据速率的关系点击此处查看全图
点状虚线表示在电子能量计应用中所使用的最高数据速率 (250 kbps)，以及在 DL/T645 中规定的数据速率 (100 kbps)。两个数 据都正好位于曲线的变形点下方，该曲线显示了一个长达 4000 英尺的最大可能的线缆长度。
终端和短截线 (stub) 长度
长距离数据传输线（特别是在电子能量计网络中）应该一直被封端 (terminated)，并且短截线长度应该尽可能的短，以避免在 传输线上发生信号反射。适当的终端需要端接电阻 RT 与传输线缆上的特性阻抗 Z0 相匹配。由于RS-485建议使用 Z0 阻抗值为 120 的线缆，所以线缆干线一般用 120 个电阻器进行封端，每个线缆末端放置一个电阻器（见图 3）。
短截线的电气长度（收发器与线缆干线之间的距离）应该短于驱动器的输出上升时间 (tr) 的1/3。表 1 列出了最大短截线长度 ，以及不同最短上升时间所对应的非封端线缆的最大可能长度。
器件名称 信号速率 (kbps) 上升时间 tr (ns) 短截线长度 （英尺） 非封端线缆的长度（英尺）
SN65HVD12 1000 100 25 7
SN65LBC184 250 250 64 19
SN65HVD3082E 200 500 128 38
表 1 短截线长度与上升时间
具有较长上升时间的驱动器非常适用于电子能量计应用。较长的上升时间不但允许更长的短截线长度，而且还能极大地减 少器件产生的 EMI 值。
自动防护功能
在正常的工作条件下，RS-485 总线具有一个由有源驱动器加载的有效信号， 从而产生了一个高于 200 mV 阈值的差分电压。 当一个节点与总线的连接被断开，同时接收机输入探测到一个开路，那么总线就不是处于封端状态。这种开路总线电路情况可 能会导致一些接收机处于随机输出状态。但是，具有集成开路总线自动防护特性的收发器会在其总线引脚上加载一个较小的偏 置电流 (12A)，从而在开路总线电路条件下产生一个众所周知的接收机输出状态。
当总线收发器均为无源状态时将会出现空闲总线的情况，这成为另一难题。然后，驱动器输出为高阻抗，同时低阻抗端接电 阻会将差分总线电压降低至近 0V。在这种情况下，没有内部空闲总线自动防护 (IBF) 功能的收发器易于出现振荡，并且需要外 部偏置电阻器。现在的一些设计通过在 0V 以上偏置其接收机阈值均包含了 IBF 功能。因此，它们能探测到一个 0V 总线电压， 从而驱动接收机进入一个已设定好的逻辑状态。
对于需要外部自动防护偏置的接收机而言，偏置电阻器 RB 只能放在主节点处，或放在电子能量计网络的两个末端处（见图 7）。

图 7 离散空闲总线自动防护偏置点击此处查看全图
由于自动防护偏置会增加总线负载，总线收发器最大数量 N 的计算为：
因此，当使用 1/4 UL 收发器时，连接至总线的器件可以多达 48 个。
为了方便使用，表 2 列出了许多不同的自动防护偏置选项。
网络 收发器 总线偏置 收发器的最大数量
R7=120Ω、5%、
%W 不具有 IBF 功能的 1/4 单位负载 R4=600Ω、5%、
%W
只在主节点处 48
R7=120Ω、5%、
%W 不具有 IBF 功能的 1/4 单位负载 R4=1.2kΩ、5%、
%W
在线缆两个末端处 48
R7=120Ω、5%、
%W 具有 IBF 功能的 1/8 单位负载 无需 R4 256
表 2 自动防护偏置选项
隔离
长距离数据链路一般都将总线收发器与本地节点控制器电路进行电气隔离，从而避免了由于接地环路、传导噪声或超过 RS -485 共模电压范围的高共模电压产生的各个问题。图 8 给出了一个隔离接口的示例。

图 8 能量计网络：主节点为所有隔离从节点提供了信号接地参考点击此处查看全图
一个三通道数字隔离器隔离了收发器单端侧与节点控制器之间的信号路径和方向控制线。一个隔离式 DC–DC 转换器将本地 节点电源 VNODE 转换成收发器电源 VBUS，从而提供一个穿越隔离层的电源。
只要整个接口保持了电气隔离，本地节点与总线接地之间的电压差就不会对通信产生影响。
由于总线收发器必须参考一个稳定的共有参考电压，因此主节点为网路中唯一的一个非隔离节点。主节点的接地电压通过 一个单独的接地线（红色）与所有从节点回路终端相连，从而为整个网络提供了一个单一的接地参考。
结论
TI 拥有广泛的 RS-485 收发器设计，这些设计专门针对能量计应用而优化。这些器件具有低 EMI、低功耗 (1/8 UL)、高 ESD 保 护（从 16 kV 至高达 30 kV）以及开路、短路和空闲总线条件下集成的自动防护等特性。对于需要隔离的能量计应用而言，该产品 范围可扩展至双通道、三通道和四通道单向和双向数字隔离器（从 DC 至 150 Mbps），以及隔离式 DC/DC 转换器（带有 3V 和 5V 稳压输出功能），以此来提供穿越隔离层的电源。
参考文献
《针对 TIA/EIA-485 (RS-485) 的接口电路》，TI 设计要点 (SLLA036)，网址：http://focus.ti.com/lit/an/slla036c/slla036c.pdf
《TIA/EIA-485-A》，《生成器的电气特性》以及《平衡数字多点系统中所使用的接收机》，网址：http://www.tiaonline.org/
《TIA/EIA-485-A 的应用指南——TIA/EIA-TSB 89》，网址：
ISO/IEC 8482，信息技术，电信与系统间的信息交换，绞线对多点互连，网址：http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=20954
《DL/T 645-1997 多功能电能表通信协议》，中华人民共和国电力部 CEI/IEC 61036:1996+1:2000，《针对有源电能的交流静态电能 表》 （1 级和 2 级），国际电工委员会，网址：http://www.ce- mag.com/archive/02/Spring/emc_stand1.html