RS-485 信号损耗检测

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介绍

        在许多工业、电信、车载以及数据处理系统中，故障隔离和安全关机协议起到非常关键的作用。尽管内置的测试程序可以在系统脱机时提供故障隔离，但实时的故障检测则要求对信号进行持续监控。这些系统经常使用 RS-485 在传感器、传动装置、单板计算机或通信处理器之间共享信息。

        RS-485 信号是使用两条信号线进行数据传输的差动信号，并且对有效信号电平的检测要求有一个差动窗口比较器。设计该电路功能的挑战是 RS-485 信号的共模范围较宽，并且在许多情况下，只能使用正电源轨。

        本文将介绍如何利用两个 SN65HVD3088E RS-485 收发器的无源自动防护* (passive-failsafe) 功能和一个 AND 栅极构建一个差动窗口比较器。此外，本文还介绍了工作原理、基本电路原理图、测试结果以及其它设计考虑因素。

工作原理

        差动输入阈值是非反相和反相 RS-485 信号之间的电压，在此电压之上则总线状态为高电平；在此电压之下，则总线状态为低电平。标准接收机的差动输入电压阈值介于 -200mV 到 200mV 之间。SN65HVD3088E 的差动输入电压阈值介于 -200mV 到 -10mV 之间。这将使高电平接收机的输出处于 0V 电压状态（无输入信号），即无源自动防护。在这种情况下无法区分有效高电平输入和无信号。

        其中的一个 SN65HVD3088E 可以确定差动输入电压是否低于 -200mV 或高于 -10mV。将第二个 SN65HVD3088E 的输入极性反相则可确定差动输入电压是否低于 10mV 或高于 200mV，这是构建差动窗口比较器的基本原理。如图1所示。

                                                      图1：具有信号损耗指示器的 RS-485 收发器

*如欲了解该特性的更多详情，敬请参阅参考书目 1。

        若差动输入电压 VAB 高于 -10mV，则图 1 中位于上方的接收器输出为真（高电平）。由于位于下方的接收器的输入被反相，因此 -VAB > -10mV（或将不等式两端的负信号消去得到 VAB < 10mV）时，则输出为真（高电平）。如果两个接收机的输出均为真，则差动总线电压在 -10mV 和 10mV 之间，且不是有效输入。AND 栅极 F 输出根据两个接收机输出的输入信号提示该故障。

                                                                             图2：有效低电平信号损耗

                                                                                     图3：有效高电平信号损耗

测试结果

        图2和图3显示了 F 和 VAB 从低电平到无信号和从高电平到无信号的转变过程，以及所需的故障指示。

其它设计考虑因素

        虽然本文以采用 SN65HVD3088E 电路为例，但实际上可以使用任何具有无源自动保护功能的 RS-485 接收机（德州仪器 (TI) 提供了 30 多种此类产品以供选择）。类似方法可以应用于单向（单工）连接。两个收发器的并联会使单位负载降低一半，同是也使总线的杂散电容增大了一倍。这会限制总线上的器件数量和间距（参见参考书目 2 和 3）。

        如果系统时钟预算，则 F 滤波可以防止差动噪声或输入信号变化过慢引起的错误故障提示。滤波可以通过增加门控电路或选择很慢的 AND 栅极来实现。

结论

        通过向另一个无源自动防护接收机添加一个无源自动防护 RS-485 接收机和一个AND 栅极，就可以构建一个差动窗口比较器。然后，该电路能通过 RS-485 数据总线提供信号损耗指示，故障标志可以用于系统故障隔离或安全关机协议。