无极性RS422/RS485网络的接线设计

1、问题提出

现在的很多测控系统是使用RS422或RS485总线互连的。RS422/485总线信号是由4(2)根有极性的差分信号来传输的，不能将其反接。当网络传输距离长或节点多时，在线路上的分续线盒也会很多，很容易将信号线在传输途中接反，从而造成信号无法正常传输。虽然可以查出故障点，但在分线盒很多时，也是一件很费时的事情。为了布线方便，分续线盒的数量往往大于总线上的模块数。对于室内系统，网络线路一般外加PVC线槽甚至暗埋于墙体内；对于室外系统，线路一般架空或地下走线，造成对线路反接问题的查找和修正很困难。另一方面，为了施工方便，也应允许在途中随意接线，不分极性。为此，需要各模块既能接收图1（b）所示的正相信号，也能接收图1（c）所示的极性可能反相的RS422、RS485信号。

图1  传输线反接错误所引起的接收端信号波形改变

对于那些采取未经任何编码调制的基带信号来传输数据的RS422/485系统，图1中由于接线错误将造成收信方无法正确接收数据；但如对信号进行适当的调制后，即使途中出现接线错误，收方仍然能正确接收到数据，即在布线施工中可以无极性布线。

下面分别给出使用未调制信号和调制信号传输数据2种情况下的无极性接线设计方法。先讨论使用未编码调制信号的情况。

2 、RS422信号线的无极性接线设计

RS422总线使用收发分开的信号线传输，各为2根信号线。为了使RS422接收器能够接收总线上传来的2种极性的信号，见图1（b）和图1（c），首先要检测到接线的错误，其次才是更正接线错误。这里希望通过网络模块电路来修正接线错误，而不是通过更正错误的传输线连接。

（1）  人工修正方法

对于MCU的UART来说，无信号传送时，TX引脚为"1"电平，因此，RS422驱动器的A端会为高电平，B端为低电平，此时，在接收模块的A端也应为固定高电平。图2电路中，在一个接收端和GND之间连接一个LED，从而可以据此判断该端是和发送端A相连，还是和发送端B相连，然后通过4位拨码开关SW来人工调整模块总线和接收模块中RS422驱动器接收输入的连接。

图2  RS422总线传输中的无极性接收电路

人工修正方法需要发送模块在软件上进行配合。在调整时，发送方不能发送数据，也就是总线上的差动电压为固定的。这种方法，虽然有些麻烦，但在一些情况下，比起检查和修正线路来还是要简便一些。

（2）  自动修正方法

如果在总线输入端子和RS422驱动器之间用电磁继电器（或模拟开关）代替拔码开关SW，就可以通过软件来自动控制总线A、B端的切换。检查是否存在错误接线也可通过软件进行，只要发送端发送一个和收方约定的固定内容数据，如果收方不能正确收到，则表明接线错误，就控制继电器切换总线连接；否则，不切换。必须注意的是，使用模拟开关时，应注意对线路阻抗和传输速度的影响。

3、RS485信号线的无极性接线设计

RS485总线中的发送和接收信号共用一对线，使用的驱动器可分为两类：一类是像SN75176之类的驱动器，在驱动器内部已经将Rx和Tx信号接到一起；另一类是使用RS422方式的驱动器，如发送和接收使用2个芯片，如SN75177（接收驱动器）加SN75178（发送驱动器），或者收发驱动器集成在1个芯片上，如SNLBC75179、MAX488、MAX490等，这种情况下，在线路板上将收发的同相端短接。对于后者（使用收发引脚独立的驱动器），无极性设计的方法仍然类同于RS422方式；对于前者，由于收发信号的同相端在驱动器内部已经短路，无法在接收驱动器增加电路，不能达到无极性信号传输的目的。

可见，在RS485网络中，模块必须使用独立收发引脚的驱动器时，才能增加无极性设计电路。 [p]

4 、使用限制

以上方法只适合于点对多点的主从式RS422/485网络。对于RS422网络来说，在主模块中的接收驱动器不能加修正电路，而应调整到发送模块的发送端。因为在从模块发送而主模块接收的情况下，可能部分模块和主模块之间的连接正确，部分模块和主模块之间的连接错误。对于RS485网络来说，只要在从模块的驱动器接收端增加调整电路就可以了。

对于各模块平等通信的RS422/485网络来说，一个模块可能和其它模块之间的接线既有正确，又有错误，因此通过此方法来修正。

5、采取调制信号传输消除信号极性

使用以上2种（手动设置或软件自动配置）使模块可以接收任意极性信号的方法虽然可行，但仍然有一些麻烦：手动设置仍然会带来施工的不便，而自动配置会增加软件设计的复杂度，降低了可靠性。此外，以上方法也只适用于点对多点的主从通信网络，对于节点对等网络不能使用。

另外一种消除信号极性的方法就是在对信号编码调制后传送，使调制后的信号是无极性要求的。在数据传输领域，最常用的无极性信号调制方法是使用差分曼彻斯特编码，其波形如图3所示。

差分曼彻斯特编码信号的编码原则是：

◇ 在信号位中间总是将信号反相；

◇ 在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑"1"；

◇ 在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0"。

由此可见，经差分曼彻斯特编码的信号，见图3（b），经过由于接线错误变成反相的波形后，见图3（c），仍然符合此定义，从而可以解调出原始数据信号。

图3  差分曼彻斯特编码信号及其反相

为了在RS422/485网络中实现差分曼彻斯特编码，需要在UART和RS422/485芯片之间增加编码电路。差分曼彻斯特编码属于自同步编码，因此需要时钟。对于工作于异步方式的UART来说，可以使用GAL器件完成编码和解码，但用于控制UART异步传输的波特率时钟和编码电路时钟必须使用同一时钟源。以下给出图4所示的实现框图，具体实现电路这里不再详细叙述。也可以使用专用芯片完成编码和解码，比如采用Echelon公司的FTT-10A收发器。该收发器对信号进行差分曼彻斯特编码调制后传输（同时包含一个隔离变压器）。

图4  使用差分曼彻斯特编码产生无极性信号

6、直流供电的无极性接线设计

在RS422/485网络中，常采用集中+5 V、+12 V或+24 V直流对所有模块进行供电，如线路较长，一般使用+24 V电源，较短时使用+5 V或+12 V电源。同信号线一样，电源线也同样存在反接问题，基于同样目的和原因，模块也应能使用正相和反相接线2种情况的输入电源。和信号不同，2根电源线虽然可能反接，线间的电位差始终是一个极性，要么为正，要么为负，因此，可以在模块电源输入处增加一个整流电桥，在电桥的输出端就始终能得到正极性的+24 V或+12 V、+5 V电压供自己使用了，如图5所示。

图5  集中直流供电网络的无极性电源接收电路