發布日期：2022-04-18 點擊率：85
盡管藍牙、以太網和其他連接選項普及廣泛并支持高數據速率，但工業應用設計人員仍然需要確保以最低成本獲得最可靠的連接。此外，連接選項的用戶基數也帶來了限制。
鑒于這些以及其他原因，傳統 4-20 mA 電流環路和 RS-485 接口目前仍在廣泛使用和不斷改進，并應用于新裝置中。這兩種選項的優勢不僅在于其大量的用戶基數，如果運用得當，它們可以有效解決接口問題，并且麻煩最少。
電流環路和 RS-485 的優點在于其設計導入、設置和故障排除均很簡單。此外，電流環路和 RS-485 標準僅定義了七層網絡模型中的最低層，即物理接口層，并未定義特定握手協議或數據格式。因此，用戶可根據需要選擇低復雜度或高復雜度應用方式，以最小的系統負擔，有效解決其特定變送器接口問題。
為了讓設計人員充分利用 4-20 mA 電流環路和 RS-485 變送器接口格式的特性，IC 供應商已設法拓寬這些傳統接口的應用范圍和多功能性。同時，為簡化使用、提高性能和可靠性，供應商正不斷增加功能和特性。
本文將回顧 RS-485 和 4-20 mA 電流環路變送器接口的基礎知識。然后將介紹接口解決方案，解釋其增強功能和性能特征，以及如何利用它們解決實際設計問題。
盡管 4-20 mA 電流環路和 RS-485 均廣泛用于工業監控和數據采集系統 (SCADA)，但采用的接口方式截然不同。它們為報告物理因素（例如溫度、開關位置和電機狀況）或發送操作指令（例如調節閥門設置和電機速度）的變送器提供電氣連接。
4-20 mA 模擬電流環路（也稱為 20 mA 環路或 0-20 mA 環路）是一個非常古老的標準，可追溯到使用電路技術替代氣動信號的早期年代。其原理非常簡單：4 mA 電流代表“無信號”，而 20 mA 代表滿量程信號（圖 1）。例如，此信號可以是一個經調節的熱電偶讀數，或是一個發送閥門開/關操作指令的信號。
圖 1：4-20 mA 電流環路的原理很簡單：用模擬電流代表傳感器信號，其中 4 mA 代表零輸出，20 mA 代表滿量程輸出；它也可用來驅動變送器。（圖片來源：National Instruments）
顧名思義，電流環路并非是類似總線的標準，相反，每個變送器都有自己的環路。由于電流環路是低阻抗電路（與電壓互連不同），因此環路對干擾噪聲和 EMI/RFI 拾取相對不敏感，而二者在工業環境中都很常見。
盡管每臺變送器使用一個環路的線纜成本較高，但這也意味著每臺變送器均采用獨立接口；因此，任何給定環路出現諸如短路或開路問題，都不會對其他環路產生影響，從而使設計人員更具信心。此外，如果電流降至 0 mA，而最低有效變送器信號為 4 mA，因此系統可以輕松檢測環路斷線。
最后，可使用環路電流本身為變送器及其接口供電，僅使用非用于環路信號范圍的 4 mA 電流即可。由于每個變送器不需要單獨環路電源，因此系統實施成本很低。
相比之下，RS-485 電壓接口標準（現正式稱為 TIA/EIA-485A）允許在一條總線上連接多個收發器（圖 2）。它通常最多與 30 個收發器配合使用，但也可連接更多收發器。它是傳統 RS-232 和相關 RS-422、RS-423 標準的多分支超集，可設置為半雙工或全雙工運行。互連布線采用低成本差分（平衡）雙絞線，以最大限度地減少噪聲拾取，單線對用于半雙工運行，雙線對用于全雙工運行。
圖 2：RS-485 標準支持多分支總線上的多個收發器，半雙工和全雙工運行時分別使用兩條和四條線纜。（圖片來源：Texas Instruments）
所有接收器可同時收聽，但在給定時間只能有一臺 RS-485 發射器處于有源狀態。其他發射器處于“三態”模式，并表現為高阻抗，因此對總線“不可見”。為消除線路反射，每個電纜端端接一個阻值與電纜特性阻抗相匹配的電阻器。這種并行端接方法允許在較長電纜上實現更高的數據速率。
為兼容多個潛在發射器，系統必須使用順序輪詢或通過控制請求實施排列，以確保沒有數據沖突。雖然這可能會限制吞吐率，但通常問題不大，因為此類系統的總體數據負載相對適中。該標準可以支持數兆位每秒 (Mbps) 的原始數據速率和 4,000 英尺的傳輸距離（盡管無法同時實現，因為存在速度與距離的權衡），并可實現高效布線，因為只需一對線纜即可連接所有用戶。
電流環路和 RS-485 接口歷史久遠、成熟度高，并有很多支持組件，目前既用于新設計，也用于升級現有裝置。在使用簡便性、格式/協議靈活性、成本效益和低功耗具有重要意義的用例中，新設計更勝一籌。
因此，目前可使用多種 IC 來增加額外功能和特性，以便拓寬其使用范圍，滿足當今裝置的需求，其中包括低功耗運行、ESD 保護改良、更高的速度以及電流（歐姆）隔離。
低功耗運行：低功耗運行可使系統達到提升能效的目標，此外它還能降低組件的熱負載和冷卻需求，從而提升整體可靠性。
如何實現這些需求呢？不妨看看 Maxim Integrated 的 MAX12900AATJ+。這是一款超低功耗的高度集成式 4-20 mA 傳感器發射器，主要功能是將變送器微控制器的脈寬調制 (PWM) 數據轉換為 4-20 mA 的電流。為實現完整靈活的信號調節，該設備集成了十個功能塊，包括多個 PWM 輸入、兩個低漂移通用運算放大器、一個零偏移低漂移運算放大器、兩個比較器、一個上電定序器、一個低漂移電壓基準和一個寬輸入供電電壓線性穩壓器 (LDO)。
盡管具有上述諸多功能塊，但 MAX12900AATJ+ 的電源電流低于 200 微安 (μA)，因此可通過“未使用”的 4 mA 環路電流輕松供電。作為一個側重于工業應用的組件，設計人員需要用到其重要的診斷特性，例如供電源軌監視、輸出電流回讀以及開路和故障檢測。此外，MAX12900AATJ+ 外形小巧，采用 5 mm x 5 mm 的 32 引腳 TQFN 封裝，可安裝在變送器上。
雖然 4-20 mA 環路的基本操作非常簡單，但 MAX12900AATJ+ 并非一個簡單 IC，其規格書提供了超過 90 幅靜態和動態性能圖、范圍圖片、工作特性圖和應用設計導入原理圖，由此可見一斑。此 IC 在溫度和順從電壓方面都很穩定，而這兩項均為工業環境中的重要特性（圖 3）。
圖 3：Maxim MAX12900AATJ+ 電流環路發射器的一個典型特征是其在供電電流相對于溫度（左）和供電電流相對于供電電壓（右）方面的穩定性。（圖片來源：Maxim Integrated）
Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全雙工驅動器/接收器是另一種低功耗設備。該 IC 由一個 3.3 伏電源供電運行，具有低電流待機模式，只需不到 1 μA（典型值）的電流，工作靜態電流則低于 1 mA。收發器 IC 低電壓運行的一個關鍵問題是其低噪聲容限和抗噪性，但 SN65HVD37 結合了一個強大的差分驅動器和一個具有 60 毫伏高抗噪性的接收器（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全雙工驅動器/接收器采用低電壓軌，但具有優化的抗噪性（這是工業系統的一個考慮因素）。（圖片來源：Texas Instruments）
無毛刺的上電和掉電設計為熱插拔應用提供保護，因此當通用總線上有許多其他有源單元且其關斷會帶來很大麻煩時，這一特性成為一個日益重要的維修考慮因素。同時，該設備經過專門設計，在無效總線狀態下接收器進入“故障保險”模式。
無效總線狀態可能由以下原因導致：總線開路狀況，例如連接器斷開；總線短路狀況，例如電纜損壞導致雙絞線同時短路；或總線上無驅動器主動驅動時，總線進入待機狀態。在這類情況下，差分接收器輸出可保證處于邏輯高態，確保接收器的輸出不會處于不定狀態。
ESD 和瞬態保護：雖然所有 4-20 mA 和 RS-485 IC 均集成了一定程度的保護措施，但小型高功能性 IC 的工藝尺寸更為緊密，這意味著使用它們的設計人員愈發關注 ESD/瞬態故障，因此供應商正紛紛增加額外的內部保護結構。
例如，Maxim Integrated MAX22502E 是一款適用于長距離電纜的 100 Mb/s 全雙工 RS-485/RS-422 收發器。它通過對已發送波形進行用戶可設置的預加重，來補償線路引起的失真，進而降低碼間干擾 (ISI) 和相關誤碼率 (BER)，借此達到高達 100 Mb/s 的速度（圖 5）。所有這些均在一個 3 × 3 mm 的封裝內完成。
圖 5：Maxim Integrated MAX22502E RS-485 收發器包含驅動器預加重功能，可將長距離電纜造成的 ISI 降至最低，從而確保低 BER。（圖片來源：Maxim Integrated）
不過，對長距離線路適用也意味著其很可能成為 ESD 和瞬態的“犧牲品”。為克服此問題，MAX22502E 集成了比此類 IC 3 至 5 千伏電平標準更高的額外 ESD 保護。此保護功能增強了穩健性，一方面表現為基本共模范圍為 -15 伏至 +15 伏，另一方面表現為驅動器輸出可防止短路。由此，MAX22502E 符合更多增強型 ESD 標準，包括 ±15 千伏 ESD 保護（人體模式，HBM）、±7 千伏 IEC61000-4-2 氣隙 ESD 保護和 ±6 千伏 IEC61000-4-2 接觸放電 ESD 保護。
對于 RS-485 應用，Texas Instruments 提供面向電表、逆變器、HVAC 系統和視頻監控系統的 THVD1500 低功耗 3.3 伏全雙工驅動器/接收器。該設備由一個 5 伏單電源供電運行，但具有寬共模電壓范圍和總線引腳低輸入漏泄，因此適用于長距離電纜線路上的多點應用。
雖然它是低速設備（最高 256 Kb/s），但總線上的低單位負載支持連接多達 256 個收發器，可用于大型網絡。它可提供全面的保護，可應對 ±16 千伏 HBM ESD、±8 千伏 IEC 61000-4-2 接觸放電、± 10 千伏 IEC 61000-4-2 氣隙放電和 ±2 千伏 IEC 61000-4-4 快速瞬態脈沖。
THVD1500 等 RS-285 收發器運行時的數據速率相對較低，然而比特率、電纜長度和惡劣工業環境的組合意味著設計布局和相關組件的選擇才是成功應用的關鍵因素（圖 6）。需要特別注意印刷電路板（PC 板）布局、離散瞬態保護元件（除了其實質內部保護）的使用和低電感接地層，才能有效使用該等設備。此外，最好能引導瞬態電流的流動，靠近 IC 使用旁路電容器，并使用額外的上拉和下拉電阻器來限制噪聲電流（圖 6）。
圖 6：在工業環境中使用 THVD1500 時，須密切注意印刷電路板的恰當布局，并在靠近總線連接器的位置安裝保護電路 (1)；將旁路電容盡可能靠近收發器的 VCC 引腳放置 (4)；使用兩個過孔用于 VCC 連接和旁路電容器與保護設備的接地連接，以最大限度地減少有效通孔電感 (5)；并應用上拉和下拉電阻器“啟用”線路以限制瞬態事件期間的噪聲電流 (6)。（圖片來源：Texas Instruments）
電流隔離：有些情況下需要電流輸入/輸出隔離，這意味著輸入和輸出之間不存在電流傳導路徑，但數據必須穿過此隔離柵。需要采取隔離措施，保護系統及其用戶免遭輸入故障，其可能對節點輸出端施加過電壓。總線側故障可能會損壞輸入變送器，因此也需要進行保護。另外，將各種變送器接地彼此隔離，可消除接地環路及其引起的經常令人沮喪的敏感問題。
也許最重要的是，隔離也意味著接地或電源軌短路等輸入端節點故障不會影響其余的總線及其節點。
隔離設備的一個典型例子是 Analog Devices 的 ADM2795E，這是一款 RS-485 收發器，在其總線引腳上具有高達 ±42 伏的 AC/DC 峰值總線過壓故障保護，外加 5 千伏 (rms) 輸入至輸出隔離（圖 7）。
ADM2795E 可應對各種 IEC 61000 ESD 要求，具有與主要關注 ESD 的設備相同或更高的額定值，除此之外，它還符合： IEC 61000-4-x 隔離柵抗擾度標準；IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌標準；IEC 61000-4-6 傳導射頻抗擾度標準、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度標準以及 IEC 61000-4-8 磁場抗擾度標準，并提供大于 75 kV/微秒 (μs) 的共模瞬態抗擾度。
圖 7：多個 Analog Devices ADM2795E 收發器可用于實施半雙工 RS-485 通信網絡，每個節點均完全隔離，因此即使變送器發生故障也不會干擾總線。（圖片來源：Analog Devices）
ADM2795E 采用 16 引腳寬 SOIC 封裝，工作電壓范圍為 1.7 V 至 5.5 V，可連接低壓邏輯電源。內部隔離功能無需設計導入，且設備完全符合 TIA/EIA RS-485/RS-422 要求。
盡管電位隔離設備可能會帶來額外的 BOM 成本和基底面，并需要隔離電源，但也能提供主要優勢，即變送器端的故障不會令總線“關閉”。
盡管已使用多年，但 RS-485 接口和 4-20 mA 電流環路仍廣泛應用于工業環境。新型和升級系統在低功耗、范圍、提高 ESD 抗擾度和電流隔離方面對接口組件提出了更高的性能要求。如文中所述，供應商正在應對這些需求，進而擴大這些傳統接口標準的可用性
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