自動(dòng)抄表技術(shù)為電表提供了一個(gè)通信端口，允許以電子方式和遠(yuǎn)程讀取功率表。本應(yīng)用筆記討論了Maxim的RS-485收發(fā)器的各種特性，這些特性使其非常適合電子功率計(jì)中的通信端口。

自動(dòng)抄表在電子功率計(jì)中越來(lái)越受歡迎。該技術(shù)為功率計(jì)提供了一個(gè)通信端口，允許以電子方式讀取，在大多數(shù)情況下還可以遠(yuǎn)程讀取。這使得電力公司可以節(jié)省金錢(qián)和時(shí)間。使這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮作用的關(guān)鍵是確保通信鏈路既安全又強(qiáng)大。RS-485是一種簡(jiǎn)單，廉價(jià)，可靠的通信規(guī)范，非常適合自動(dòng)抄表。本文將討論Maxim的RS-485收發(fā)器的眾多特性，這些特性使其成為電子功率計(jì)的理想選擇。

圖1.帶有RS-485端口的電子功率計(jì)的示例框圖。

圖1顯示了使用RS-485端口的電子功率計(jì)的示例框圖。該端口通過(guò)使用光耦合器和變壓器與MCU和模擬前端電氣隔離。這種隔離提供了針對(duì)RS-485線路電涌的保護(hù)和魯棒性。

A和B線上的上拉和下拉電阻用于定義電纜斷開(kāi)時(shí)接收器的狀態(tài)。使用這些電阻器，當(dāng)電纜斷開(kāi)時(shí)，接收器輸出始終為高電平，這有很多優(yōu)點(diǎn)。在圖1系統(tǒng)中，IrDA電路具有漏極開(kāi)路輸出。考慮一下如果RS-485收發(fā)器在電纜斷開(kāi)時(shí)錯(cuò)誤地將線路拉低會(huì)發(fā)生什么。在這種情況下，光耦合器的輸出晶體管將導(dǎo)通，并將總線保持在低電平，從而阻止漏極開(kāi)路IrDA模塊與MCU之間的任何通信。通過(guò)保證電纜斷開(kāi)時(shí)的高輸出，系統(tǒng)可以在同一UART總線上使用其他漏極開(kāi)路器件。

PTC 和 TVS 相結(jié)合，可在其中一根 RS-485 電線短路到主電源線（例如 220VAC）時(shí)提供差模過(guò)壓保護(hù)。

隔離電路由反激式變壓器上的附加繞組供電。在圖 1 圖中，反激式有兩個(gè)輸出：第一個(gè)用于為 MCU 和模擬前端供電。第二個(gè)是電氣隔離的，為RS-485端口供電。請(qǐng)注意，如果備用電池與上述反激式電源一起使用，它將有效地與MCU電源“二極管OR-ed”（V抄送在圖中）。這意味著isolated_V抄送使用電池操作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)。因此，RS-485電路沒(méi)有“開(kāi)啟”，因此在停電期間無(wú)法與儀表通信，也無(wú)法告訴任何人停電。

以下是Maxim的RS-485收發(fā)器的特性，有助于改進(jìn)/簡(jiǎn)化RS-485端口電子功率計(jì)的設(shè)計(jì)。有關(guān)包含所有這些特性的器件的更多信息，請(qǐng)參考MAX3070E （3.3V）或MAX13085E （5V）數(shù)據(jù)資料。

故障安全RS-485標(biāo)準(zhǔn)將高低信號(hào)的閾值定義為±200mV，但這些電平之間的范圍不確定。這在三種情況下會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題：

總線上的所有發(fā)送器均被禁用，因此阻抗很高。這意味著由于總線上的終端電阻，接收器輸入之間的差分電壓為0V。

RS-485導(dǎo)線之間短路。同樣，導(dǎo)線之間的差分電壓為0V。

有開(kāi)路，或功率計(jì)斷開(kāi)。同樣，差分電壓為0V，因?yàn)槭瞻l(fā)器本身在輸入之間具有高阻抗電阻，迫使其為0V。

在所有三種條件下，差分電壓均為0V。不幸的是，RS-485規(guī)范將0V定義為不確定電壓。這意味著接收器的輸出可能是高、低或更糟——它可能在兩者之間振蕩。Maxim的故障安全接收器通過(guò)指定-50mV至-200mV之間的接收門(mén)限來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這是比RS-485規(guī)定的更嚴(yán)格的閾值，因此是合規(guī)的。這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)在0V差分電壓被定義為已知狀態(tài)，從而消除了由上述三個(gè)條件引起的問(wèn)題。這允許功率計(jì)硬件設(shè)計(jì)人員去除圖1所示的兩個(gè)偏置電阻。

壓擺率限制由于大多數(shù)功率計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率在1kbps至19.2kbps范圍內(nèi)，因此不需要快速邊沿速率，只會(huì)產(chǎn)生不需要的輻射發(fā)射。通過(guò)控制RS-485收發(fā)器中驅(qū)動(dòng)器的邊沿速率，可以降低更高頻率下的輻射。較低的壓擺率還可以減少由于不完美的端接和短截線等引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。（見(jiàn)圖 2 和圖 3）。

圖2.MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E的驅(qū)動(dòng)器輸出波形和FFT圖，發(fā)送125kHz信號(hào)。

MAX3485E/MAX3490E/MAX3491E不受壓擺率限制，因此可以支持更高的數(shù)據(jù)速率。然而，更高數(shù)據(jù)速率所需的更快邊沿會(huì)產(chǎn)生更大、更高頻率的諧波。這些諧波會(huì)增加輻射EMI，并且對(duì)不完美端接的容忍度較低。

圖3.MAX3483E/MAX3488E的驅(qū)動(dòng)器輸出波形和FFT圖發(fā)送125kHz信號(hào)。

MAX3483E和MAX3488E具有壓擺率限制，因此最大數(shù)據(jù)速率降低至250kbps或更低。這對(duì)于功率計(jì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常綽綽有余。隨著頻率諧波的增加，降低的壓擺率越低。這減少了EMI和不完美的端接問(wèn)題。

熱插拔在RS-485等多點(diǎn)系統(tǒng)中，重要的是只啟用一個(gè)發(fā)射器并發(fā)送信號(hào)。如果啟用兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射器，將出現(xiàn)總線爭(zhēng)用，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。一個(gè)健壯的系統(tǒng)能夠容忍使用軟件的一定數(shù)量的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，但硬件設(shè)計(jì)人員仍然負(fù)責(zé)首先將這些錯(cuò)誤最小化。Maxim的熱插拔功能旨在解決兩種常見(jiàn)的總線誤用情況：

收發(fā)器最初在已經(jīng)處于活動(dòng)狀態(tài)的總線上上電。

收發(fā)器位于熱插拔到已激活系統(tǒng)的卡上。

在這兩種情況下，驅(qū)動(dòng)RS-485收發(fā)器的微控制器（μC）將經(jīng)歷復(fù)位序列。大量μC使其I/O引腳達(dá)到三態(tài)。一旦軟件代碼有時(shí)間運(yùn)行，微處理器引腳最終將配置為適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。從初始上電到正確配置引腳之間的時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。主要問(wèn)題是RS-485收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器使能（DE）引腳會(huì)“看到”無(wú)意的邏輯電平高電平。這是因?yàn)槿龖B(tài)引腳會(huì)因噪聲或漏電流而被拉高。

Maxim的熱插拔功能通過(guò)兩步序列解決了這一問(wèn)題。在最初的10μs期間，RS-485收發(fā)器上電，并通過(guò)一個(gè)600kΩ電阻進(jìn)行5μA的強(qiáng)下拉，將DE引腳拉低。強(qiáng)下拉用于釋放DE引腳上的任何電容。10μs后，使用一個(gè)100μA下拉電流來(lái)保持邏輯電平低電平，以免受漏電流和噪聲的影響。這個(gè) 100μA 的下拉電流保持有效狀態(tài)，直到 DE 引腳被一個(gè)外部電源拉高。一旦引腳為高電平，100μA電流源被禁用，RS-485收發(fā)器正常工作（見(jiàn)圖4）。此功能可確保RS-485收發(fā)器上的發(fā)射器三態(tài)，防止任何意外的總線爭(zhēng)用。

圖4.DE引腳上Maxim熱插拔電路的簡(jiǎn)化框圖

擴(kuò)展的靜電放電保護(hù)ESD是所有半導(dǎo)體器件的問(wèn)題，RS-485收發(fā)器也不例外。標(biāo)有“E”的Maxim產(chǎn)品包括擴(kuò)展ESD，MAX3070E和MAX13085E采用人體模型（HBM）時(shí)為±15kV。

隔離MAX3535為單芯片、隔離式、3.3V或5V、自供電RS-485收發(fā)器。它包括電容隔離，集成了RS-485收發(fā)器，并使用內(nèi)部H橋驅(qū)動(dòng)器和外部“現(xiàn)成”變壓器，在485引腳SO封裝中提供單片隔離式RS-16解決方案。這大大減少了設(shè)計(jì)工作量，因?yàn)闊o(wú)需在反激式電源和光耦合器上增加繞組。此外，由于MAX3535是自供電的，因此即使測(cè)量?jī)x采用電池供電，RS-485端口也能保持工作狀態(tài)。MAX3535E還包括熱插拔、故障安全、擴(kuò)展ESD和壓擺率限制（圖5）。

圖5.MAX3535E的典型應(yīng)用電路

電子功率計(jì)已經(jīng)制造多年，但包含自動(dòng)抄表功能是相對(duì)較新的事件。Maxim的RS-485收發(fā)器特性有助于提高電子功率計(jì)設(shè)計(jì)的成本、魯棒性、簡(jiǎn)單性和尺寸。

審核編輯：郭婷