CN103424660B - Rs-485通讯接口极性检测装置、方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种RS-485通讯接口极性检测装置、方法及RS-485通讯接口芯片，其中该RS-485通讯接口极性检测装置包括一时钟电路与极性检测电路，该极性检测电路利用时钟电路提供的时钟对接收器单元接收到的信号进行计时，根据此信号中‘1’或‘0’电平持续的时间对RS-485通讯接口极性做出判断，如此RS-485通讯接口芯片可在内部做出调整，在不增加成本、不改变性能指标的情况下实现了无极性RS-485系统的要求。

Description

RS-485通讯接口极性检测装置、方法及芯片

【技术领域】

本发明属于电气装置领域，涉及到一种RS-485通讯接口极性检测装置、方法及RS-485通讯接口芯片。

【背景技术】

RS-485是一种接口标准，它所具有的如下一些特点使其成为首选串行接口标准：

1)RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

2)RS-485接口的数据最高传输速率为10Mbps。

3)RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺(约1219米)，实际上可达3000米

4)RS-485接口在总线上允许连接多达256个收发器，这样用户可以利用RS-485接口方便地组成网络

RS-485接口应用在点对点、点对多点通讯领域，具体包括工业控制自动化、道路交通控制自动化、智能卡、考勤、门禁、工业集散分布系统、闭路监控、安防系统、POS系统、楼宇自控系统、自助银行系统等。

RS-485通讯使用的典型接口芯片是MAXIM公司的MAX13085系列，由于绝大部分的485接口芯片的功能定义与其相同，因此以它作为例子介绍基本原理。MAX13085芯片的管脚定义如图1所示，其中，

RO：为接收器输出信号；

REN：为接收使能信号，逻辑‘0’时芯片处于接收状态，内部接收器工作，将A、B两个引脚输入的差分信号经放大、判断后，从RO引脚送出，判断标准是，A、B端的差分信号小于-200mV时，输出逻辑‘0’；A、B端的差分信号大于-50mV时，输出逻辑‘1’；

DE：为发送使能信号。逻辑‘1’时芯片处于发送状态，内部发送器工作，将“DI”引脚输入的信号经内部平衡驱动器处理后，从A、B两个引脚输出差分信号；

DI：发送器信号输入；

GND：地；

A/B：信号引脚，DE、REN都为‘1’时，作为平衡驱动器的输出引脚，DE、REN都为‘0’时，作为接收器的信号输入引脚；

VCC：电源。

使用该芯片的RS-485通讯网络电路图如图2所示，图中RS-485模块使用的是一种名为双线模式的低成本方案，即RS-485模块和MCU(单片机，做为控制器)之间只有两根信号线交互，分别为DE与RO。大部分应用下MCU和RS-485模块之间的电源是相互隔离的，两者之间的信号需用光耦隔离。光耦电路的成本较大，因此越少的信号线交互意味着越低的成本。该方案下发送器的信号输入引脚DI并不连到MCU，而是固定接地。在芯片处于发送状态时，DE、REN并不是始终为‘1’，而仅在发送逻辑‘0’时为‘1’。当需要发送‘1’时，控制模块将DE、REN置‘0’，使其处于接收状态。由于接收状态时A、B端口是高阻态，此时A、B信号线上的信号由于上/下拉电阻的作用保持在A>B的水平，从而间接实现了逻辑‘1’的输出。

从上面RS-485模块的定义可以了解到，该模块里A、B信号线的定义是固定的、不可交换。如果RS-485通讯网络在组网的过程中，某些模块的A、B信号线接反了，则该模块将失去通讯的功能，既接收不到其他模块发送过来的信号，也不能将信号发送给其他模块，这种RS-485通讯模块称为有极性RS-485模块。

有极性RS-485模块要求在组网过程中，布线人员需严格遵守A、B信号线的定义，细心检查信号连线的正确与否。这降低了组网操作的效率，提升了成本，而且人工操作永远存在失误的可能。而这种失误的后果又不能被及时的发现和纠正，这将给通讯网络带来一定的隐患，因此客观上存在开发一种无极性RS-485模块的需求。

对此，业界有二种解决方案，分别介绍如下。

第一种：如MCU发现某个RS-485模块在较长一段时间内都未与其他任何模块发生成功通讯，则将RO、DI两个信号引脚做反相处理，即把逻辑‘0’变为逻辑‘1’，‘1’变为‘0’。RO引脚的信号反相可解决接收不成功的问题，DI引脚的信号反相可解决发送不成功的问题。但这一方案有如下几点缺陷：

1)双线方案里DI是固定接地的，无法做反相处理。因此在低成本双线方案里不可行；

2)接收器要求A/B端的差分信号小于-200mV时，输出逻辑‘0’；A、B端的差分信号大于-50mV时，输出逻辑‘1’。如果在A、B端接反的时候仅将RO反相，则会变为A、B端的差分信号小于50mV时，输出逻辑‘0’；A、B端的差分信号大于200mV时，输出逻辑‘1’，这与规范是相违背的；

3)要求MCU参与极性判断和控制，需占用MCU的资源。

第二种方案是：在一个RS-485模块里使用两套完整的RS-485接口芯片和外围电路，这两套电路对A、B信号线的定义是完全相反的，一个时刻仅使用其中一套，另一套设置为关闭状态。当MCU发现在较长一段时间内未与任何其他模块发生成功通讯的情况下，可切换至另一套电路从而恢复正常通讯。这一方案仍有两点不足：

1)需要使用两套完整的RS-485接口芯片和外围电路，大大增加芯片、元器件和PCB板的成本，不利于资源的集约利用；

2)要求MCU参与极性判断和控制，需占用MCU的资源。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种RS-485通讯接口极性检测装置、方法及RS-485通讯接口芯片，以解决现有极性检测方法过于复杂，不易实施的问题。

为实现上述目的，实施本发明的RS-485通讯接口芯片，包括接收器单元与发送器单元，并且接收器单元与接收器输出信号管脚连接，而发送器单元一端与发送器信号输入管脚连接，发送器单元的另一端及接收器单元的一端均与该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚连接，其中该RS-485通讯接口芯片还包括一RS-485通讯接口极性检测装置，该RS-485通讯接口极性检测装置包括一时钟电路与极性检测电路，该极性检测电路利用时钟电路提供的时钟对接收器单元接收到的信号进行计时，根据此信号中‘1’或‘0’电平持续的时间对RS-485通讯接口极性做出判断，并且发送器信号输入管脚接有一个反相器，同时此反相器可被第一切换开关旁路，该第一切换开关与极性检测电路连接并受其控制，如果该RS-485通讯接口极性正确，则第一切换开关导通，反相器不起作用，如极性错误，第一切换开关断开，发送器信号输入管脚的信号经过反相器反相，同时接收器单元设有一内部接收器，该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚与内部接收器之间设有第二切换开关，此第二切换开关与极性检测电路连接并受其控制，当该RS-485通讯接口极性错误时，通过此第二切换开关切换内部接收器与RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚的连接关系。

依据上述主要特征，该RS-485通讯接口芯片还包括一电阻单元，该电阻单元包括与该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚连接的电阻及选择电阻的连接方式的第三切换开关，并且该电阻单元与极性检测电路连接并受其控制而改变第三切换开关的连接关系，根据极性检测电路的检测结果通过第三切换开关将相应的电阻接地或连接至电源，并且电阻单元包含一个上电控制模块，保证在上电初期的一定时间内，电阻不会被接入通讯线，网络内所有RS-485通讯接口芯片的接收器单元与发送器单元利用这一时间段进行极性检测。

依据上述主要特征，RS-485通讯接口极性检测装置还包括一个滤波器，该滤波器对接收器单元接收到的信号做滤波处理并将处理后的信号输出至极性检测电路。

与现有技术相比较，利用本发明提供的RS-485通讯接口极性检测装置可自动检测A、B信号线极性，如此RS-485通讯接口芯片可在内部做出调整，在不增加成本、不改变性能指标的情况下实现了无极性RS-485系统的要求。

【附图说明】

图1为现有的MAXIM公司的MAX13085芯片的管脚示意图。

图2为使用图1所示芯片的RS-485通讯网络电路图。

图3为RS-485通讯信号的典型模式。

图4为实施本发明的极性检测方法的流程示意图。

图5为实施本发明的RS-485接口芯片的极性检测/调整电路结构图。

图6为采用本发明的无极性RS-485接口芯片的应用示意图。

【具体实施方式】

实施本发明的技术方案可分为检测、调整两个部分。

其中极性检测方法可参图3、图4与图5所示，其具体过程如下所述。

当RS-485接口通讯时，A、B信号线上的差分信号模式由RS-485通讯规约定义。通讯时每帧数据的起始位为‘0’，之后的地址位、数据位、校验位的逻辑电平取决于具体的数据，‘0’和‘1’都有可能。停止位是‘1’，且可能持续时间较长。因此可定义两个时间段，一为起始位、地址位、数据位和校验位所持续的时间，定义为T1。T1的最大值发生在起始位、地址位、数据位和校验位的位数最多、通讯码率最慢的时候，假设为T1_max，这个最大值小于60ms；二是停止位持续的时间，定义为T2。RS-485通讯时两帧之间都是停止位，而两帧之间的时间都比较长，一般总会大于120ms。因此信号‘0’和‘1’模式上的差别在于，信号‘0’仅存在于T1时间段内，其可能持续的最长时间就是T1_max。信号‘1’在T1、T2两个时间段内都有存在，且总存在持续时间大于120ms的时刻。检测的依据即来自于‘0’或‘1’电平在持续时间上的差异，如果接收器接收到的信号‘1’的持续时间大于120ms，则可判断为RS-485模块极性正确。如果接收器接收到的信号‘0’的持续时间大于120ms，则可判断为RS-485模块极性错误，需要对现有极性进行调整。

具体实现时，实施本发明的RS-485通讯接口极性检测装置包括一时钟电路与一极性检测电路，其中该时钟电路可为RS-485接口芯片内部的时钟电路，极性检测电路利用该RS-485模块提供的时钟对接收器单元接收到的RO信号进行计时。如发现‘1’电平持续时间超过120ms，则判断RS-485模块极性正确。其中120ms期间内发生的任何一次‘0’电平都将打断计时过程，使其从零开始重新计时。如发现‘0’电平持续时间超过120ms，则判断RS-485模块极性错误。120ms期间内发生的任何一次‘1’电平都将打断计时过程，使其从零开始重新计时。如‘1’电平和‘0’电平持续时间都未超过120ms，则维持当前的极性状态。

由于对‘1’电平进行计时的情况下，任何一次‘0’电平都会打断计时过程，而实际应用中，由于信号线可能受到的干扰，接收信号出现短暂的误码是完全有可能的，这会对极性检测电路的精确度和成功率带来影响。为解决这一问题，实施本发明的RS-485通讯接口极性检测装置还包括一个滤波器，首先会对接收器单元模块接收到的RO信号做滤波处理。该滤波器使用一个高频时钟(假设为10MHz)对RO信号进行判断，连续4个时钟周期内如果有三个时钟周期时刻的RO值都为‘1’电平，则认为剩下一个时钟周期的‘0’电平为信号线受干扰所产生，因为正常通讯时的‘0’电平持续时间不会只有一个时钟周期(即0.1us)这么短，因此可忽略这个短暂的‘0’电平。

对‘0’电平进行计时的情况也做同样处理，滤波器如发现连续4个时钟周期内有三个时钟周期时刻的RO值都为‘0’电平，则忽略剩下的一个‘1’电平。

因此，RS-485接口芯片工作时每120ms进行一次检测，即使RS-485通讯接口芯片的接收器单元与发送器单元在工作时被调换了极性，RS-485接口芯片也能及时检测出来并进行调整。

在整个RS-485网络刚上电时，由于所有收发器的极性都不确定，此时的极性检测需要更长时间。因此，上电之初的极性检测时间长达500ms。

调整部分

如检测到极性错误，需要调整极性的有3个模块：发送器单元、接收器单元和上/下拉电阻单元，以下对此3个模块的调整方式进行说明。

发送器单元

发送器单元的极性调整较为简单，只需将DI输入的信号做反相即可，即逻辑‘1’电平变为‘0’，‘0’变为‘1’。

实现上，DI输入端接有一个反相器，同时此反相器可被第一切换开关旁路。如果极性正确，第一切换开关的P1有效，则第一切换开关导通，反相器不起作用。如极性错误，第一切换开关的P1无效，第一切换开关断开，信号经过反相器反相。

接收器单元

如背景技术中所述，一些无极性方案里简单的将接收器输出的RO信号做反相。这在极性的定义上没有错误，但将引起接收器‘0’、‘1’电平判断阈值的变化，即变为A、B端的差分信号小于50mV时，输出逻辑‘0’；A、B端的差分信号大于200mV时，输出逻辑‘1’。

为避免这个问题，通过在接收器单元A、B输入端口处即做极性切换，即将A、B端口(RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚)与内部接收器的连接关系通过第二切换开关对换。即极性正确时，第二切换开关的P1有效，通过第二切换开关将A连到接收器正端，B连到负端。极性错误时，第二切换开关的P2有效，通过第二切换开关将A连到接收器负端，B连到正端。

上/下拉电阻单元

由于在极性判断错误的时候，A、B引脚的定义要做交换，此时A、B引脚上的上/下拉电阻也需做相应改变，即A引脚上的上拉电阻需变为下拉，B引脚上的下拉电阻需变为上拉。在传统方案里，上/下拉电阻是在PCB系统级上的，因此要改变电阻的连接方式是非常困难和成本巨大的。为解决这一问题，本发明将A、B管脚上的上/下拉电阻集成到芯片内部，芯片内部根据极性检测信号选择电阻的连接方式，选择主要是通过与上/下拉电阻连接的第三切换开关实现。如极性正确，第三切换开关的P1有效，通过第三切换开关将与A引脚连接的电阻连至电源，与B引脚连接的电阻连至地。极性错误时，第三切换开关的P2有效，通过第三切换开关将与A引脚连接的电阻连至地，与B引脚连接的电阻连至电源。

在上电初期，网络内所有RS-485通讯接口芯片的接收器单元与发送器单元的极性是不确定的，如果此时把上/下拉电阻接入通讯线，且恰好极性正确和极性错误的收发器数量相近，则上/下拉电阻会在电源和地之间形成通路，且使得A/B之间的信号变微弱，影响极性检测的成功。因此电阻单元设有上电控制模块，在上电之初的0.6秒内，电阻是不接入通讯线的，网络内所有RS-485通讯接口芯片的接收器单元与发送器单元利用这一时间段进行更可靠的极性检测。

如图6所示，为采用发明的无极性RS-485接口芯片应用示意图，与图2所示的RS-485通讯网络电路图相比较，由于本发明将A、B引脚上的上/下拉电阻集成到RS-485接口芯片内部，所以整个网络电路的结构更加简单，更易于实施。

由上所述，实施本发明的RS-485通讯接口芯片可自动检测A、B信号线极性，并依此在芯片内部做出调整，在不增加成本、不改变性能指标的情况下实现了无极性RS-485系统的要求，允许现场工作人员在RS-485组网的时候任意连接A、B信号线且仍可正常工作。该芯片与原有的有极性RS-485芯片在管脚定义上完全兼容，可实现高效、低成本的替代。

与有极性方案相比，本发明具有以下特点：

(1)网内各RS-485模块的A、B极性可任意更改，如图6中第N号终端的A/B的连接方式与1号终端相反，但不影响通讯功能；

(2)整个485网络没有上/下拉电阻，节省大量元器件、简化系统设计；

(3)兼容双线应用方案，大大降低方案成本；

(4)与有极性RS-485芯片定义相同，可实现方便替代。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种RS-485通讯接口芯片，包括接收器单元与发送器单元，并且接收器单元与接收器输出信号管脚连接，而发送器单元一端与发送器信号输入管脚连接，发送器单元的另一端及接收器单元的一端均与该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚连接，其特征在于：该RS-485通讯接口芯片还包括一RS-485通讯接口极性检测装置，该RS-485通讯接口极性检测装置包括一时钟电路与极性检测电路，该极性检测电路利用时钟电路提供的时钟对接收器单元接收到的信号进行计时，根据此信号中‘1’或‘0’电平持续的时间对RS-485通讯接口极性做出判断，并且发送器信号输入管脚接有一个反相器，同时此反相器可被第一切换开关旁路，该第一切换开关与极性检测电路连接并受其控制，如果该RS-485通讯接口极性正确，则第一切换开关导通，反相器不起作用，如极性错误，第一切换开关断开，发送器信号输入管脚的信号经过反相器反相，同时接收器单元设有一内部接收器，该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚与内部接收器之间设有第二切换开关，此第二切换开关与极性检测电路连接并受其控制，当该RS-485通讯接口极性错误时，通过此第二切换开关切换内部接收器与RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚的连接关系。

2.如权利要求1所述的RS-485通讯接口芯片，其特征在于：该RS-485通讯接口芯片还包括一电阻单元，该电阻单元包括与该RS-485通讯接口芯片的二个信号引脚连接的电阻及选择电阻的连接方式的第三切换开关，并且该电阻单元与极性检测电路连接并受其控制而改变第三切换开关的连接关系，根据极性检测电路的检测结果通过第三切换开关将相应的电阻接地或连接至电源，并且电阻单元包含一个上电控制模块，保证在上电初期的一定时间内，电阻不会被接入通讯线，网络内所有RS-485通讯接口芯片的接收器单元与发送器单元利用这一时间段进行极性检测。

3.如权利要求2所述的RS-485通讯接口芯片，其特征在于：RS-485通讯接口极性检测装置还包括一个滤波器，该滤波器对接收器单元接收到的信号做滤波处理并将处理后的信号输出至极性检测电路。