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一、简介
本文聚焦于嵌入式系统中通信相关的硬件电路,为您带来一系列日常电路的精彩分享与深入分析。通过剖析我们日常生活中常见的通信电路实例,如串行通信接口、USB连接、CAN通信、RS485通信等等,文章将深入浅出地讲解这些电路的设计原理、工作机制以及实际应用中的优化策略。无论您是电子工程领域的初学者,还是希望进一步拓展嵌入式通信硬件知识的专业人士,本文都将为您提供宝贵的参考和实用的洞见,助您更深入地理解并掌握嵌入式通信硬件电路的设计与分析技能。
二、RS232通信
1、硬件电路设计
2、硬件电路设计分析
(1)常规电路
在常规使用环境中,可直接使用上图中的电路进行设计。若自行设计需要注意:RS232电平转换芯片的型号及厂家存在差异,但是在电路结构上大同小异,外部电荷泵的取值和供电电压的取值需要特别注意,按照芯片数据手册进行选值。以上图RS232芯片(SP3232EEN)为例,数据手册中根据不同的供电电压,给出了电荷泵的参考值。电荷泵的取值不合适,直接对输出信号造成干扰,比如产生纹波等等。
(2)EMC设计使用注意事项
常见的EMC测试包括:辐射发射、传导抗扰度、静电放电抗扰度、雷电抗扰度(户外产品)、接地要求。
①、TVS管
在RS232接口的应用中,由于传输距离较短,不会受到较大的浪涌影响,但静电放电、感应脉冲过电压及其他电磁干扰现象仍可能导致较大的瞬态电压,从而损坏通信端口。具体TVS管的选型需要根据测试要求以及使用芯片来确定,目前很多芯片都具有抗静电能力,若芯片的抗静电能力满足测试需求,则可不使用TVS管,若不满足,则需要根据测试值进行TVS管的选型,不同产品的测试条件不同,测试结果也不一,需要根据国标或者行标进行确定。
②、电容
RS232是一种串行通信协议,广泛应用于计算机和外围设备之间的通信。它采用不平衡传输方式,即信号线与地线之间传输数据。为了限制通信距离并适应RS232标准的电气特性,采取了一些措施,其中之一就是在驱动芯片输出端接电容到地。这种做法的目的是为了帮助降低相邻信号之间串扰的可能性,从而提高通信的可靠性和稳定性。具体来说,通过接电容到地,可以控制信号的上升和下降时间,减少信号之间的干扰,进而减少串扰的可能性。具体电容值的大小要根据实际测试环境确定,有小到大进行测试,如果电容值太大,会导致通信失败。
③、磁珠
磁珠的主要作用是在特定频率下表现出高阻抗,从而有效地吸收或减少高频噪声。在EMI滤波器应用中,磁珠被用作一个低通滤波器,允许低频信号通过,同时阻止高频噪声通过,从而保护电路免受干扰。磁珠的选型主要看以下两个方面:
噪声干扰方面:需要考虑噪声的频率和强度。不同型号的磁珠有不同的频率阻抗曲线,选型时要选择噪声中心频率对应的阻抗较高的磁珠,从而更好地抑制噪声。噪声干扰越大,需要选择阻抗更高的磁珠,但高阻抗磁珠也会对有用信号产生较大的衰减,因此需要综合考虑信噪比。根据噪声频段选择磁珠是比较好选择的,但是交流阻抗如何确定呢?这需要根据当前噪声强度、需求值、负载电进行选择,比如当前负载为50Ω,噪声信号强度为650mVpp、100Mhz,预期需求为50mVpp,那么选择磁珠交流阻抗为 (50Ω/50mV)*600mV = 600Ω。
磁珠本身的性能:包括额定电流(大于电路中的最大电流值,并保留20%的裕量)、直流导通电阻(DCR)(一般越小越好)和标称阻抗(Z@100MHz)等等。
④、电阻
电阻用于限制电流,保护电路免受过大的电流冲击。在RS232驱动芯片的输出端串联电阻,可以进一步减少信号线上的反射和干扰,确保信号的稳定传输。此外,电阻还可以帮助调整信号的上升和下降时间,使得信号更加符合RS232的标准要求。
3、DB9接头定义
三、RS485通信
1、硬件电路设计
2、硬件电路设计分析
(1)自动收发电路
①、原理
UART发送管脚USART_TX输出低电平时,三极管Q1截止,接收使能#RE和发送使能DE同时被R6拉高,接口芯片进入发送状态。此时会将连接到发送信号管脚DI上的低电平发送除去,从而在差分输出RS485_A/RS485_B上得到逻辑低电平对应的输出。2、当USART_TX管脚发送高电平时,三极管Q1导通,接收使能#RE和发送使能DE同时被拉低,接口芯片进入接收状态,A、B两个管脚为高阻态。但此时连接到RS485_A/RS485_B上的其他网络节点,却会因为电阻R2和R3(4.7KΩ)的上下作用,将RS485_A/RS485_B上的高阻态理解为高电平。因此,图2虽未直接将USART_TX的信号发送到RS485_A/RS485_B上,但却在逻辑上同时起到了发送数据和自动控制收发状态切换的作用。
②、优点
该电路成本低、空间小,能够简单的实现收发的自动切换,适用于传输速率不高的场合。
③、缺点
三极管有电容效应,导致关断时间较长,导致RE/DE从低到高电平变化出现比较大的斜坡。同时485输出高电平,是依靠上下拉来完成的,会导致上升沿不够迅速,这就会导致大概率收到错误数据,导致丢包(数据校验不通过而丢弃)因此当连接的终端设备少,距离近,这个丢包概率比较低,不容易发现,但是当总线设备增多,通信距离增长等环境下出错率就比较高,因此不建议用在可靠度比较高的产品中。
(2)上下拉电阻注意事项
添加上下拉电阻的最终目的就是保障数据波形的正常,如果使用的485收发器内部已经集成了上下拉电路,或者在特定情况下线缆很长,设备所处的地电位和主板所处的地电位可能不同,这时附加的上下拉电阻可能会产生附加的暗电流,降低信噪比,因此在这些情况下可能不需要额外添加上下拉电阻。上下拉电阻的阻值应在1k到10k之间选取。这个范围的选择需要综合考虑功耗、驱动电流以及电路的高速要求。阻值过大可能会导致输出电平延迟,而阻值过小可能会影响信号的边沿平缓。
(3)TVS管作用
这取决于驱动芯片的选型,如果芯片具有抗静电能力,可以不使用。
(4)末端匹配电阻作用
短距离通信不需要加匹配电阻,当需要长距离通信,需要解决阻抗不连续、不匹配的问题时,再添加匹配电阻。