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      工業(yè)RS485與USB2.0接口轉(zhuǎn)換電路剖析

      2014-10-21 20:04:55鄔如梁
      電子世界 2014年6期
      關(guān)鍵詞:干擾源芯片工業(yè)

      鄔如梁

      【摘要】現(xiàn)今社會(huì)不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)外圍接口由串聯(lián)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閁SB2.0接口模式,這種接口模式具有很大的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用的接口是RS485接口。將USB2.0接口轉(zhuǎn)化為RS485接口,將會(huì)為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的方便,這種電路在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用,必須要有超強(qiáng)的抗干擾能力。本文主要對(duì)USB2.0向RS485接口轉(zhuǎn)換的電路進(jìn)行相應(yīng)的分析,并且提出了相應(yīng)設(shè)計(jì)。

      【關(guān)鍵詞】工業(yè)RS485接口;USB2.0接口;轉(zhuǎn)換電路;分析

      1.前言

      現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,USB2.0接口已經(jīng)逐漸的取代低速度的外圍接口,因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣戎饾u加快。但是在工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域中,工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的十分緩慢,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中主要是利用RS485接口,很多程序都需要利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),都是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所以設(shè)計(jì)出將USB接口轉(zhuǎn)換為RS485接口,可以給用戶(hù)帶來(lái)很大的便利。

      2.USB2.0到RS485接口轉(zhuǎn)換的研究設(shè)計(jì)

      通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynch-ronous Receiver/Transmitter),稱(chēng)為UART,是一種通用串行數(shù)據(jù)總線(xiàn),用于異步通信。該總線(xiàn)雙向通信,可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中,UART具有操作簡(jiǎn)單,工作可靠,抗干擾能力強(qiáng),因此相關(guān)的工作人員都認(rèn)為UART是最為適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐?。?duì)于USB向RS485轉(zhuǎn)換的電路的設(shè)計(jì),主要可以分為兩個(gè)重要的部分:USB接口轉(zhuǎn)換UART接口與UART轉(zhuǎn)換RS485接口。

      2.1 USB接口芯片的設(shè)計(jì)

      在對(duì)USB接口芯片進(jìn)行選擇時(shí),主要取決于執(zhí)行功能以及設(shè)計(jì)的難易度,USB接口的設(shè)備十分的復(fù)雜,因此USB接口設(shè)備必須要具備相應(yīng)的智能性,只有這樣才能夠?qū)ο鄳?yīng)的問(wèn)題進(jìn)行解決。對(duì)于USB轉(zhuǎn)化的芯片必須要具備以下幾個(gè)方面:

      ①USB接口控制器,在USB接口中,有些芯片僅能支持低速傳輸,但是有些卻可以支持所有的USB傳輸類(lèi)型接口;②發(fā)送與接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),保存發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)主要是采用FIFO結(jié)構(gòu);③寄存器主要由狀態(tài)寄存器以及控制寄存器,主要是對(duì)于接收以及發(fā)送的字節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的保存處理。

      滿(mǎn)足該轉(zhuǎn)化技術(shù)的芯片主要有以下幾個(gè)因素:

      ①連接一般微處理器芯片;②基于通用系列的芯片;③應(yīng)用程序?qū)S玫男酒?。根?jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最終可以發(fā)現(xiàn),一般的微處理器的芯片的處理能力是比較的弱的,并且具有很大的缺點(diǎn),而后兩種芯片在USB接口處理處理能力上卻比較相近,前者主要是利用微處理器,工作人員比較的熟悉操作,但是卻必須要自己編寫(xiě)USB轉(zhuǎn)換協(xié)議,編寫(xiě)這種協(xié)議十分的復(fù)雜,并且會(huì)消耗大量的時(shí)間,因此相關(guān)的人員都會(huì)選擇后者。

      2.2 RS485接口芯片分析

      在USB轉(zhuǎn)化UART接口之后,需要一種芯片將UART接口轉(zhuǎn)化為RS485接口,對(duì)于這種接口的選擇主要根據(jù)以下幾方面:

      ①節(jié)點(diǎn)數(shù),節(jié)點(diǎn)數(shù)是指每個(gè)RS485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)的RS485負(fù)載,芯片所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)必須要多;②限斜率驅(qū)動(dòng),信號(hào)在傳輸中會(huì)發(fā)生相應(yīng)的干擾反射,會(huì)影響正常的通信,為了解決這一問(wèn)題,因此在芯片上要設(shè)計(jì)出限斜率方式,從而來(lái)避免干擾;③失效保護(hù),根據(jù)RS485接口的要求,必須要能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn);④瞬態(tài)保護(hù),由于外界電纜的原因,在電纜之上會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電壓,因此必須要采取相應(yīng)的保護(hù)措施,來(lái)對(duì)接口進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。但是在進(jìn)行RS485接口選擇的時(shí)候,一定要能夠?qū)⑺械姆矫孢M(jìn)行相應(yīng)的考慮。

      3.接口轉(zhuǎn)換電路EMC設(shè)計(jì)

      3.1 EMC的概述

      對(duì)于EMC的概念,本文為了更好的讓讀者了解,做了一些概念的描述,希望能夠更好地理解保護(hù)電路其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原型的測(cè)試的基本要求。EMC是其英文Electro Magnetic Compatibility的縮寫(xiě),翻譯成中文是指電子與電氣設(shè)備或者是系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中,按照設(shè)計(jì)者要求在正常環(huán)境下工作的能力。它是電子電器設(shè)備或者是系統(tǒng)的技術(shù)性能,EMC的概念也包含以下三個(gè)方面:

      電磁干擾(EMI),是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí),其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn),不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)其所承受的標(biāo)準(zhǔn)的電磁能量。

      電磁抗擾度(EMS),是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí),其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn),其系統(tǒng)或設(shè)備所能承受標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的范圍內(nèi)的電磁能干擾量。

      電磁環(huán)境是指系統(tǒng)或設(shè)備在一定的環(huán)境時(shí),而且其性能處于正常運(yùn)轉(zhuǎn),電磁兼容量是作為評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

      3.2 電磁兼容保護(hù)電路的研究

      產(chǎn)品在其工業(yè)環(huán)境中產(chǎn)生的干擾,依據(jù)其干擾源與傳播途徑的不同,可以分為以下兩點(diǎn),一是傳導(dǎo)、輻射,二是瞬態(tài)干擾。其原因?yàn)楦蓴_的產(chǎn)生是由于干擾源的電流或電壓產(chǎn)生了其不必要的變化。假如這種不必要的變化通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接傳給其他的設(shè)備會(huì)造成很大的危害,這就叫做傳導(dǎo)干擾。假如這種變化所產(chǎn)生的電磁波間接的通過(guò)空間傳播給其他的設(shè)備時(shí),所造成的危害,這就叫做輻射干擾。

      根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)中的電磁波理論就可以知道,在30MHz以下的低頻帶下主要是傳導(dǎo)干擾,在30MHz到300MHz的頻帶,主要的危害是輻射干擾。但是在工業(yè)環(huán)境中也免不了存在一些短暫的高能量電脈沖的干擾,而產(chǎn)生這些高能量脈沖非來(lái)自于干擾源,所以被稱(chēng)為瞬態(tài)干擾。

      3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原型是重要的組成部分,雖然其結(jié)構(gòu)不能單獨(dú)的解決EMC所有問(wèn)題,但這卻是解決EMC問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。在常見(jiàn)的問(wèn)題中,如良好的接地、電磁場(chǎng)屏蔽,都要借助于良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才行。對(duì)于EMC來(lái)說(shuō),其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含著系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)概念,也就包含著結(jié)構(gòu)形態(tài)上的設(shè)計(jì)概念,在原型的EMC設(shè)計(jì)中,接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)等都不可能單獨(dú)的存在著。信號(hào)輸入與輸出的接口位置,各種的電路在產(chǎn)品中的分布,電纜的布置,接地點(diǎn)的位置選擇都對(duì)EMC產(chǎn)生著其重要的影響。

      4.結(jié)語(yǔ)

      本文主要對(duì)工業(yè)RS485與USB2.0接口轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了相應(yīng)的剖析,并且提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì),將USB2.0接口轉(zhuǎn)化RS485接口,在很大程度上提高了工業(yè)生產(chǎn)的方便。

      參考文獻(xiàn)

      [1]胡曉軍,張愛(ài)成.USB接口開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2010,1(1):80-83.

      [2]蕭世文.USB2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012,2(2):4-8.

      [3]鄭軍奇.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010,3(11):30-34.

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