盡管藍(lán)牙、以太網(wǎng)和其他連接選項(xiàng)普及廣泛并支持高數(shù)據(jù)速率，但工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員仍然需要確保以最低成本獲得最可靠的連接。此外，連接選項(xiàng)的用戶基數(shù)也帶來了限制。
鑒于這些以及其他原因，傳統(tǒng) 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 接口目前仍在廣泛使用和不斷改進(jìn)，并應(yīng)用于新裝置中。這兩種選項(xiàng)的優(yōu)勢不僅在于其大量的用戶基數(shù)，如果運(yùn)用得當(dāng)，它們可以有效解決接口問題，并且麻煩最少。
電流環(huán)路和 RS-485 的優(yōu)點(diǎn)在于其設(shè)計(jì)導(dǎo)入、設(shè)置和故障排除均很簡單。此外，電流環(huán)路和 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)僅定義了七層網(wǎng)絡(luò)模型中的最低層，即物理接口層，并未定義特定握手協(xié)議或數(shù)據(jù)格式。因此，用戶可根據(jù)需要選擇低復(fù)雜度或高復(fù)雜度應(yīng)用方式，以最小的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，有效解決其特定變送器接口問題。
為了讓設(shè)計(jì)人員充分利用 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 變送器接口格式的特性，IC 供應(yīng)商已設(shè)法拓寬這些傳統(tǒng)接口的應(yīng)用范圍和多功能性。同時(shí)，為簡化使用、提高性能和可靠性，供應(yīng)商正不斷增加功能和特性。
本文將回顧 RS-485 和 4-20 mA 電流環(huán)路變送器接口的基礎(chǔ)知識(shí)。然后將介紹接口解決方案，解釋其增強(qiáng)功能和性能特征，以及如何利用它們解決實(shí)際設(shè)計(jì)問題。
回顧接口基礎(chǔ)知識(shí)
盡管 4-20 mA 電流環(huán)路和 RS-485 均廣泛用于工業(yè)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (SCADA)，但采用的接口方式截然不同。它們?yōu)閳?bào)告物理因素（例如溫度、開關(guān)位置和電機(jī)狀況）或發(fā)送操作指令（例如調(diào)節(jié)閥門設(shè)置和電機(jī)速度）的變送器提供電氣連接。
4-20 mA 模擬電流環(huán)路（也稱為 20 mA 環(huán)路或 0-20 mA 環(huán)路）是一個(gè)非常古老的標(biāo)準(zhǔn)，可追溯到使用電路技術(shù)替代氣動(dòng)信號(hào)的早期年代。其原理非常簡單：4 mA 電流代表“無信號(hào)”，而 20 mA 代表滿量程信號(hào)（圖 1）。例如，此信號(hào)可以是一個(gè)經(jīng)調(diào)節(jié)的熱電偶讀數(shù)，或是一個(gè)發(fā)送閥門開/關(guān)操作指令的信號(hào)。
圖 1：4-20 mA 電流環(huán)路的原理很簡單：用模擬電流代表傳感器信號(hào)，其中 4 mA 代表零輸出，20 mA 代表滿量程輸出；它也可用來驅(qū)動(dòng)變送器。（圖片來源：National Instruments）
顧名思義，電流環(huán)路并非是類似總線的標(biāo)準(zhǔn)，相反，每個(gè)變送器都有自己的環(huán)路。由于電流環(huán)路是低阻抗電路（與電壓互連不同），因此環(huán)路對干擾噪聲和 EMI/RFI 拾取相對不敏感，而二者在工業(yè)環(huán)境中都很常見。
盡管每臺(tái)變送器使用一個(gè)環(huán)路的線纜成本較高，但這也意味著每臺(tái)變送器均采用獨(dú)立接口；因此，任何給定環(huán)路出現(xiàn)諸如短路或開路問題，都不會(huì)對其他環(huán)路產(chǎn)生影響，從而使設(shè)計(jì)人員更具信心。此外，如果電流降至 0 mA，而最低有效變送器信號(hào)為 4 mA，因此系統(tǒng)可以輕松檢測環(huán)路斷線。
最后，可使用環(huán)路電流本身為變送器及其接口供電，僅使用非用于環(huán)路信號(hào)范圍的 4 mA 電流即可。由于每個(gè)變送器不需要單獨(dú)環(huán)路電源，因此系統(tǒng)實(shí)施成本很低。
相比之下，RS-485 電壓接口標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)正式稱為 TIA/EIA-485A）允許在一條總線上連接多個(gè)收發(fā)器（圖 2）。它通常最多與 30 個(gè)收發(fā)器配合使用，但也可連接更多收發(fā)器。它是傳統(tǒng) RS-232 和相關(guān) RS-422、RS-423 標(biāo)準(zhǔn)的多分支超集，可設(shè)置為半雙工或全雙工運(yùn)行。互連布線采用低成本差分（平衡）雙絞線，以最大限度地減少噪聲拾取，單線對用于半雙工運(yùn)行，雙線對用于全雙工運(yùn)行。
圖 2：RS-485 標(biāo)準(zhǔn)支持多分支總線上的多個(gè)收發(fā)器，半雙工和全雙工運(yùn)行時(shí)分別使用兩條和四條線纜。（圖片來源：Texas Instruments）
所有接收器可同時(shí)收聽，但在給定時(shí)間只能有一臺(tái) RS-485 發(fā)射器處于有源狀態(tài)。其他發(fā)射器處于“三態(tài)”模式，并表現(xiàn)為高阻抗，因此對總線“不可見”。為消除線路反射，每個(gè)電纜端端接一個(gè)阻值與電纜特性阻抗相匹配的電阻器。這種并行端接方法允許在較長電纜上實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
為兼容多個(gè)潛在發(fā)射器，系統(tǒng)必須使用順序輪詢或通過控制請求實(shí)施排列，以確保沒有數(shù)據(jù)沖突。雖然這可能會(huì)限制吞吐率，但通常問題不大，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)的總體數(shù)據(jù)負(fù)載相對適中。該標(biāo)準(zhǔn)可以支持?jǐn)?shù)兆位每秒 (Mbps) 的原始數(shù)據(jù)速率和 4,000 英尺的傳輸距離（盡管無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇嬖谒俣扰c距離的權(quán)衡），并可實(shí)現(xiàn)高效布線，因?yàn)橹恍枰粚€纜即可連接所有用戶。
優(yōu)化電流環(huán)路和 RS-485
電流環(huán)路和 RS-485 接口歷史久遠(yuǎn)、成熟度高，并有很多支持組件，目前既用于新設(shè)計(jì)，也用于升級(jí)現(xiàn)有裝置。在使用簡便性、格式/協(xié)議靈活性、成本效益和低功耗具有重要意義的用例中，新設(shè)計(jì)更勝一籌。
因此，目前可使用多種 IC 來增加額外功能和特性，以便拓寬其使用范圍，滿足當(dāng)今裝置的需求，其中包括低功耗運(yùn)行、ESD 保護(hù)改良、更高的速度以及電流（歐姆）隔離。
低功耗運(yùn)行：低功耗運(yùn)行可使系統(tǒng)達(dá)到提升能效的目標(biāo)，此外它還能降低組件的熱負(fù)載和冷卻需求，從而提升整體可靠性。
如何實(shí)現(xiàn)這些需求呢？不妨看看 Maxim Integrated 的 MAX12900AATJ+。這是一款超低功耗的高度集成式 4-20 mA 傳感器發(fā)射器，主要功能是將變送器微控制器的脈寬調(diào)制 (PWM) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 4-20 mA 的電流。為實(shí)現(xiàn)完整靈活的信號(hào)調(diào)節(jié)，該設(shè)備集成了十個(gè)功能塊，包括多個(gè) PWM 輸入、兩個(gè)低漂移通用運(yùn)算放大器、一個(gè)零偏移低漂移運(yùn)算放大器、兩個(gè)比較器、一個(gè)上電定序器、一個(gè)低漂移電壓基準(zhǔn)和一個(gè)寬輸入供電電壓線性穩(wěn)壓器 (LDO)。
盡管具有上述諸多功能塊，但 MAX12900AATJ+ 的電源電流低于 200 微安 (μA)，因此可通過“未使用”的 4 mA 環(huán)路電流輕松供電。作為一個(gè)側(cè)重于工業(yè)應(yīng)用的組件，設(shè)計(jì)人員需要用到其重要的診斷特性，例如供電源軌監(jiān)視、輸出電流回讀以及開路和故障檢測。此外，MAX12900AATJ+ 外形小巧，采用 5 mm x 5 mm 的 32 引腳 TQFN 封裝，可安裝在變送器上。
雖然 4-20 mA 環(huán)路的基本操作非常簡單，但 MAX12900AATJ+ 并非一個(gè)簡單 IC，其規(guī)格書提供了超過 90 幅靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能圖、范圍圖片、工作特性圖和應(yīng)用設(shè)計(jì)導(dǎo)入原理圖，由此可見一斑。此 IC 在溫度和順從電壓方面都很穩(wěn)定，而這兩項(xiàng)均為工業(yè)環(huán)境中的重要特性（圖 3）。
圖 3：Maxim MAX12900AATJ+ 電流環(huán)路發(fā)射器的一個(gè)典型特征是其在供電電流相對于溫度（左）和供電電流相對于供電電壓（右）方面的穩(wěn)定性。（圖片來源：Maxim Integrated）
Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全雙工驅(qū)動(dòng)器/接收器是另一種低功耗設(shè)備。該 IC 由一個(gè) 3.3 伏電源供電運(yùn)行，具有低電流待機(jī)模式，只需不到 1 μA（典型值）的電流，工作靜態(tài)電流則低于 1 mA。收發(fā)器 IC 低電壓運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵問題是其低噪聲容限和抗噪性，但 SN65HVD37 結(jié)合了一個(gè)強(qiáng)大的差分驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)具有 60 毫伏高抗噪性的接收器（圖 4）。
圖 4：Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全雙工驅(qū)動(dòng)器/接收器采用低電壓軌，但具有優(yōu)化的抗噪性（這是工業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)考慮因素）。（圖片來源：Texas Instruments）
無毛刺的上電和掉電設(shè)計(jì)為熱插拔應(yīng)用提供保護(hù)，因此當(dāng)通用總線上有許多其他有源單元且其關(guān)斷會(huì)帶來很大麻煩時(shí)，這一特性成為一個(gè)日益重要的維修考慮因素。同時(shí)，該設(shè)備經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，在無效總線狀態(tài)下接收器進(jìn)入“故障保險(xiǎn)”模式。
無效總線狀態(tài)可能由以下原因?qū)е拢嚎偩€開路狀況，例如連接器斷開；總線短路狀況，例如電纜損壞導(dǎo)致雙絞線同時(shí)短路；或總線上無驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，總線進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在這類情況下，差分接收器輸出可保證處于邏輯高態(tài)，確保接收器的輸出不會(huì)處于不定狀態(tài)。
ESD 和瞬態(tài)保護(hù)：雖然所有 4-20 mA 和 RS-485 IC 均集成了一定程度的保護(hù)措施，但小型高功能性 IC 的工藝尺寸更為緊密，這意味著使用它們的設(shè)計(jì)人員愈發(fā)關(guān)注 ESD/瞬態(tài)故障，因此供應(yīng)商正紛紛增加額外的內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)。
例如，Maxim Integrated MAX22502E 是一款適用于長距離電纜的 100 Mb/s 全雙工 RS-485/RS-422 收發(fā)器。它通過對已發(fā)送波形進(jìn)行用戶可設(shè)置的預(yù)加重，來補(bǔ)償線路引起的失真，進(jìn)而降低碼間干擾 (ISI) 和相關(guān)誤碼率 (BER)，借此達(dá)到高達(dá) 100 Mb/s 的速度（圖 5）。所有這些均在一個(gè) 3 × 3 mm 的封裝內(nèi)完成。
圖 5：Maxim Integrated MAX22502E RS-485 收發(fā)器包含驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重功能，可將長距離電纜造成的 ISI 降至最低，從而確保低 BER。（圖片來源：Maxim Integrated）
不過，對長距離線路適用也意味著其很可能成為 ESD 和瞬態(tài)的“犧牲品”。為克服此問題，MAX22502E 集成了比此類 IC 3 至 5 千伏電平標(biāo)準(zhǔn)更高的額外 ESD 保護(hù)。此保護(hù)功能增強(qiáng)了穩(wěn)健性，一方面表現(xiàn)為基本共模范圍為 -15 伏至 +15 伏，另一方面表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)器輸出可防止短路。由此，MAX22502E 符合更多增強(qiáng)型 ESD 標(biāo)準(zhǔn)，包括 ±15 千伏 ESD 保護(hù)（人體模式，HBM）、±7 千伏 IEC61000-4-2 氣隙 ESD 保護(hù)和 ±6 千伏 IEC61000-4-2 接觸放電 ESD 保護(hù)。
對于 RS-485 應(yīng)用，Texas Instruments 提供面向電表、逆變器、HVAC 系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的 THVD1500 低功耗 3.3 伏全雙工驅(qū)動(dòng)器/接收器。該設(shè)備由一個(gè) 5 伏單電源供電運(yùn)行，但具有寬共模電壓范圍和總線引腳低輸入漏泄，因此適用于長距離電纜線路上的多點(diǎn)應(yīng)用。
雖然它是低速設(shè)備（最高 256 Kb/s），但總線上的低單位負(fù)載支持連接多達(dá) 256 個(gè)收發(fā)器，可用于大型網(wǎng)絡(luò)。它可提供全面的保護(hù)，可應(yīng)對 ±16 千伏 HBM ESD、±8 千伏 IEC 61000-4-2 接觸放電、± 10 千伏 IEC 61000-4-2 氣隙放電和 ±2 千伏 IEC 61000-4-4 快速瞬態(tài)脈沖。
THVD1500 等 RS-285 收發(fā)器運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)速率相對較低，然而比特率、電纜長度和惡劣工業(yè)環(huán)境的組合意味著設(shè)計(jì)布局和相關(guān)組件的選擇才是成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素（圖 6）。需要特別注意印刷電路板（PC 板）布局、離散瞬態(tài)保護(hù)元件（除了其實(shí)質(zhì)內(nèi)部保護(hù)）的使用和低電感接地層，才能有效使用該等設(shè)備。此外，最好能引導(dǎo)瞬態(tài)電流的流動(dòng)，靠近 IC 使用旁路電容器，并使用額外的上拉和下拉電阻器來限制噪聲電流（圖 6）。
圖 6：在工業(yè)環(huán)境中使用 THVD1500 時(shí)，須密切注意印刷電路板的恰當(dāng)布局，并在靠近總線連接器的位置安裝保護(hù)電路 (1)；將旁路電容盡可能靠近收發(fā)器的 VCC 引腳放置 (4)；使用兩個(gè)過孔用于 VCC 連接和旁路電容器與保護(hù)設(shè)備的接地連接，以最大限度地減少有效通孔電感 (5)；并應(yīng)用上拉和下拉電阻器“啟用”線路以限制瞬態(tài)事件期間的噪聲電流 (6)。（圖片來源：Texas Instruments）
電流隔離：有些情況下需要電流輸入/輸出隔離，這意味著輸入和輸出之間不存在電流傳導(dǎo)路徑，但數(shù)據(jù)必須穿過此隔離柵。需要采取隔離措施，保護(hù)系統(tǒng)及其用戶免遭輸入故障，其可能對節(jié)點(diǎn)輸出端施加過電壓。總線側(cè)故障可能會(huì)損壞輸入變送器，因此也需要進(jìn)行保護(hù)。另外，將各種變送器接地彼此隔離，可消除接地環(huán)路及其引起的經(jīng)常令人沮喪的敏感問題。
也許最重要的是，隔離也意味著接地或電源軌短路等輸入端節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響其余的總線及其節(jié)點(diǎn)。
隔離設(shè)備的一個(gè)典型例子是 Analog Devices 的 ADM2795E，這是一款 RS-485 收發(fā)器，在其總線引腳上具有高達(dá) ±42 伏的 AC/DC 峰值總線過壓故障保護(hù)，外加 5 千伏 (rms) 輸入至輸出隔離（圖 7）。
ADM2795E 可應(yīng)對各種 IEC 61000 ESD 要求，具有與主要關(guān)注 ESD 的設(shè)備相同或更高的額定值，除此之外，它還符合： IEC 61000-4-x 隔離柵抗擾度標(biāo)準(zhǔn)；IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌標(biāo)準(zhǔn)；IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度標(biāo)準(zhǔn)、IEC 61000-4-3 輻射抗擾度標(biāo)準(zhǔn)以及 IEC 61000-4-8 磁場抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，并提供大于 75 kV/微秒 (μs) 的共模瞬態(tài)抗擾度。
圖 7：多個(gè) Analog Devices ADM2795E 收發(fā)器可用于實(shí)施半雙工 RS-485 通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均完全隔離，因此即使變送器發(fā)生故障也不會(huì)干擾總線。（圖片來源：Analog Devices）
ADM2795E 采用 16 引腳寬 SOIC 封裝，工作電壓范圍為 1.7 V 至 5.5 V，可連接低壓邏輯電源。內(nèi)部隔離功能無需設(shè)計(jì)導(dǎo)入，且設(shè)備完全符合 TIA/EIA RS-485/RS-422 要求。
盡管電位隔離設(shè)備可能會(huì)帶來額外的 BOM 成本和基底面，并需要隔離電源，但也能提供主要優(yōu)勢，即變送器端的故障不會(huì)令總線“關(guān)閉”。
總結(jié)
盡管已使用多年，但 RS-485 接口和 4-20 mA 電流環(huán)路仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。新型和升級(jí)系統(tǒng)在低功耗、范圍、提高 ESD 抗擾度和電流隔離方面對接口組件提出了更高的性能要求。如文中所述，供應(yīng)商正在應(yīng)對這些需求，進(jìn)而擴(kuò)大這些傳統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)的可用性
