RS-485网络设计降低功耗问题

RS-485网络的功率损耗

　RS -485网络中许多数据采集或收集器属于小型、手持式、电池供电设备，因此必须采取省电措施，以延长这些设备的电池寿命。静态电流（IQ）是反映收发器功率消耗大小的一个重要指标，新型RS-485收发器的IQ已减小许多。表1把工业标准的双极性收发器75176与各种低功耗、CMOS收发器的静态电流进行了对比。

　当一个标准的RS-485收发器外挂最小负载：一个RS-485收发器、两个匹配电阻、两个失效保护电阻时，就可以测量其电源电流随数据速率变化的关系曲线。图2为MAX1483的电源电流ICC与数据速率的关系，测试条件为：外接电阻560Ω/120Ω/560Ω（如图1所示），VCC=5V，DE= /RE=VCC，电缆长度100英尺。从图2可以看出：即使数据速率很低，电源电流也增大到将近37mA，这主要是由于引入了匹配电阻和失效保护电阻所致。下面将讨论采用不同的匹配方式及失效保护措施在低功耗应用中的重要性。


失效保护

　众所周知，当RS-485接收器输入端电压介于-200mV～+200mV时，输出处于不确定状态。即：如果半双工结构RS-485收发器的差分输入电压为 0V、而线上又无其它驱动器使能或由于连接不好导致输出开路，则该接收器既可能输出逻辑1也可能输出0，而且几率相同。为了保证在上述错误情况下输出一个确定值，大多数RS-485收发器都需要外接失效保护电阻：其中在线A接上拉电阻，线B接一下拉电阻，如图1所示。以往在大多数方案中，该失效保护电阻选取560Ω，不过为了减小功耗，有人将该失效保护电阻增大到将近1.1kΩ(当只需要一端匹配时)。部分设计工程师则采用1.1kΩ～2.2kΩ的电阻在电缆两端进行匹配，增大该电阻虽然减小了电流消耗，但却降低了系统抗干扰能力。为了避免采用外部偏置电阻，RS-485收发器生产厂商首先在芯片内部给接收器提供偏置电阻（上拉或下拉），不过它仅在检测输出开路时有效。对于终端匹配电缆，由于这类"伪"失效保护收发器内置的上拉电阻比匹配电阻大几个数量级，上拉效果很微弱，因此还是难以使接收器输出一个确定值。通常这种内置失效保护电阻的收发器仅对不需要终端匹配的电缆有效。因此其它一些厂商又试图把接收器门限范围变为0～-0.5V，但这违背了RS-485标准。MAXIM公司开发的MAX3080、MAX3471系列产品很好地解决了上述两个问题。这类收发器通过定义一个更精确的接收器门限范围：-50mV～+200mV，省去了偏置电阻，同时又不违背RS-485标准。当接收器输入0V电压时，它们保证输出逻辑"高"电平。进一步讲，当发生开路或短路情况时，这些接收器能够保证输出一种确定值。

降低功率损耗的几种措施

　如表1所示，不同的收发器汲取的静态电流可能有很大差别，因此，省电设计首先应该选择低功耗器件，譬如MAX3471（当发送关闭时，仅消耗2.8μA电流，数据速率可达64kbps）。由于数据发送期间收发器的功耗增加，因此节省功耗的第二步就是通过软件实现短码发送数据，使收发器长时间处于接收状态，使发送占空比最短。典型的串行发送数据结构如表2所示。一个挂接单位负载（32个可寻址器件）的RS-485系统包含下列各位：5位地址位、8位数据位、起始位（全帧）、停止位（全帧）、奇偶校验位（可选择）、循环码校验位（CRC，可选择），因此其发送数据的最短长度为20位。然而，在实际应用中，基于信息发送的安全性考虑，还必须发送附加信息，诸如数据长度、发送地址、方向等等，结果使得码长可能增长到255个字节（即2040位）。

　通过增加码长可以增强数据发送安全性，但它却是以占用总线时间和消耗更多功率为代价。当以200kbps速率来传送20位的数据时，需要占用100(s的时间。如果采用MAX1483，以200kbps速率，每秒发送一次，则MAX1483消耗的平均电流为：

(100μs*×53mA +(1s-100μs)×20(A)/1s = 25.3μA.

　当收发器处于空闲模式时，必须关闭它的驱动器以使功率消耗最低。表3以MAX1483为例给出了码长与RS-485接口电流消耗之间的关系。当然，对于采用定时循检技术或在两次发送期间有较长固定休眠时段的系统，可以通过关闭收发器进一步限制功率消耗。

　 除了从软件方面考虑之外，硬件电路也为降低功耗提供了很大的余地。图3比较了当收发器使能、在1000英尺长的电缆发送方波信号时，各种不同的器件消耗电流的大小。其中75ALS176和MAX1483在总线每一端均采用标准的560Ω/120Ω/560Ω电阻匹配网络，而"失效保护"器件MAX3080 和MAX3471在总线每端仅采用了一个120Ω的匹配电阻。由图可见，消耗的电源电流变化范围很大，选择具有失效保护功能的低功耗器件，可将功耗降低许多。