SP485E在电能表通讯中的应用
SP485E在电能表通讯中的应用
摘要：本文介绍SP485E系列半双工RS485收发器的电路结构、原理，同时介绍RS485设计规范及设计时要注意的问题及解决方案，结合上述两部分设计用SP485E器件进行RS485和RS232两种通讯协议的转换电路，同时结合多功能电能表通讯规约(DL/T645—1997)说明通讯格式，用P89LPC931单片机进行RS485从机通讯的程序设计。
一、SP485E系列半双工RS－485收发器的原理及结构
SP485E是一种半双工差分收发器，它们完全满足RS485串行协议的要求，具有增强型ESD 性能，数据传输速率可高达10Mbps ，其管脚配置图和逻辑功能真值表如图1所示。
图1  SP485E管脚配置图
表1  发送功能真值表
输入输出
DE DI 线状态  B A
X 1 1
无错误0 1
X 1 0
无错误  1 0
X 0 X X Z Z
X 1 X 出错Z Z 注：X是不定状态，Z是高阻状态
表2  接收功能真值表
输入输出
DE A－B R
0 0
＋0.2V    1
0 0
－0.2V 0
0 0
输入开路  1
1 0 X Z
注：X是不定状态，Z是高阻状态
SP485E系列器件和SP485、SP481系列器件是兼容的，其最大的特点是在ESD保护上经过处理，得到了增强，使得在静电放电、瞬态变化较敏感的环境中，保证通讯的正常，整个系统工作稳定，抗干扰能力得到提高。
二、SP485E电路设计
2.1 RS485设计规范及注意的问题
图2  RS485网络图
RS485工作在半双工通讯状态，即同一时刻，总线上只能有一个节点成为主节点而处于发送状态，其它所有节点必须处于接收状态，如果同一时刻有两个以上的节点处于发送状态，将导致所有发送方的数据发送失败，即所谓总线冲突。因此RS485总线一般为主从模式下工作，整个通讯总线系统由一个主节点、若干个从节点组成的，由主节点不断地轮流查询从节点是否有通信需求，如果有则将总线控制权交给某一从节点，从节点发送完毕后立刻交还总线控制权。同时根据实际的工作情况，会产生以下几个问题：
（1）总线匹配问题
产生的原因是因为总线传输电缆的阻抗不连续，产生突变值，传输信号产生反射，影响了传输信号，干扰正常通讯，解决的方式应使阻抗连续，即在首端和末端并上电缆特性阻抗的电阻值，或采用RC、二极管电路匹配。
（2）接地问题
sp文由于RS485是差分传输的，因此通常忽略接地问题，共模电压有可能超出规定范围，同时没有返回回路，产生辐射无线电波问题，轻则影响正常通讯，重则损坏通讯接口。但是有可能共模干扰源内阻较低，不能直接相接，应在两地线间串电阻，或采用浮地技术、隔离接口技术。
（3）网络失效保护问题
由于总线在空闲、开路和短路状态时，总线接收器产生不定状态，产生错误通讯，应避免这种情况的发生，加上配置电阻，给总线加上一个确定的状态。
（4）瞬态保护问题
实际工作时，会产生瞬态干扰可能会有成百上千伏的电压但持续时间很短，应采取一定保护措施，一般采用隔离、旁路法进行保护，旁路法采用瞬态抑制元件，旁路危害性的瞬时能量。
（5）功耗问题。
图3  PC 机上RS232与RS485通讯转换电路图
电路原理说明：
（1）电源部分
根据PC 机上RS232的通讯协议的规定，它们的标准逻辑电平在±12V ，实际上大多在±10V 之内，通过几个二极管构成或逻辑，形成整流电路，再经过7805稳压电路，得到电源，这种从串口取得电源的技术叫窃电技术。由于CMOS 电路耗电低，这种方式一般能够满足协议转换要求。
（2）SP232E 的作用
根据SP485E 器件的资料，它的工作逻辑是TTL 的电平，RS232通讯的逻辑电平不是TLL 逻辑电平，因此需要通过SP232E 器件进行电平转换。
（3）逻辑分析
表 3  PC 机上RS232与
RS485通讯转换电路逻辑分析表
接收状态
1） TXD ＝1，TX ＝1，经Q1反向，DE/＝0，当V AB 大于200mV 时，RX ＝1，RXD ＝1；2） TXD ＝1，TX ＝1，经Q1反向，DE/＝0，当V AB 小于200mV 时，RX ＝0，RXD ＝0；发送状态
1） TXD ＝1，TX ＝1，经Q1方向，DE/
＝0，V AB 为高阻状态，由于偏置存在，V AB 大于
200mV ，同时RX ＝1，RXD ＝1； 2） TXD ＝0，TX ＝0，经Q1方向，DE/
＝1，V AB 小于200mV ，RO 为高阻状态，由于SP232E
中的上拉电阻的作用，RX ＝1，RXD ＝1；
注：应保证总线处于半双工状态
图4  单片机与RS485通讯转换电路图
电路原理说明：
电路通过3个光藕器件对单片机电路和RS485总线电路进行隔离，提高系统的抗干扰的能力，电路中的TVS管并联在RS485总线A、B线两端，对电路进行瞬态保护作用，R7和R8为偏置电阻，进行网络失效保护。但是这个电路没有匹配电阻，在通讯总线设计中应根据实际情况进行匹配电路的设计。
表 4  单片机与RS485通讯转换电路逻辑分析表
接收状态1）CTRL485=0，DE/＝0，当V AB大于200mV时，RS_RXD=1，RXD＝1；2）CTRL485=0，DE/＝0，当V AB小于200mV时，RS_RXD=0，RXD＝0；
发送状态1）CTRL485＝1，DE/＝0，RS_RXD为高阻状态，RXD＝1，当TXD＝1，RS_TXD=1，V AB
大于200mV，发送1；
2）CTRL485＝1，DE/＝0，RS_RXD为高阻状态，RXD＝1，当TXD＝0，RS_TXD=0，V AB小于200mV，发送0；
注：CTRL485切换发送和接收的控制脚，一般情况下应为接收状态。
三、程序设计
这个程序是用P89LPC931单片机进行RS485从机通讯的程序设计，是以多功能电能表
通讯规约(DL/T645—1997)为通讯规范，以图4所示的单片机与RS485通讯转换电路图为基
础的程序设计。
3.1 通讯格式
3.1.1 通讯字节格式
0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P    1 起始位0 8位数据D0～D7 偶校验位停止位1
传送方向为低到高位，一个起始位，一个停止位，8位数据位，总共11位。
图5  字节格式
3.1.2 通讯帧格式
帧起始符（68H）
地址域
（A0~A5）
帧起始符
（68H）
命令码
（C）
数据长度
（L）
数据域
（DATA）
校验码
（CS）
结束符
（16H）
图6  帧格式
地址域A0～A5：当地址位999999999999H时，为广播地址，同时当从控制器接收到一帧数据时，地址域相同时应响应命令，取得总线控制权，当响应命令之后，应把总线控制权
归还给主控器。
命令码：执行操作的依据。
校验码：帧开始各个字节二进制算术和，不计溢出值。
前导字节：在发送信息之前，发送1个或多个字节FEH，以唤醒接收方。
数据域：发送时数据加33H，接收时数据减33H。
3.2 程序设计流程图
整个通讯程序分为3个部分：数据接收部分、命令执行部分、发送数据部分。
3.2.1 数据接收部分
数据接收程序主要接收一帧正确的数据，数据帧错误的判断符合以下原则：z有一个字节偶校验错误，数据帧错误。
z数据帧格式不正确，数据帧错误。
z数据帧校验码不正确，数据帧错误。
整个程序是在接收中断服务程序中执行的。
图5  接收程序流程图

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