几种扩展RS485/RS422接口的方法

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几种扩展RS485/RS422接口的方法

最近需要用到多路RS422接口挂接设备，但CPU的接口数量有限，因此需要进行接口扩展。整理了目前能想到的一些RS485/RS422扩展接口方法，记录如下：

1. RS485一主多从总线模式

从设备采用总线挂接，CPU作为主设备，其余单机作为从设备，主机发送指令后，对应地址单机回复数据。主机也可广播形式群发数据，RS485同时只允许一个发送，但可以多个接收。

设计时需注意DE使能位的状态，确保一条总线上只有一个设备处于发送状态。

以下为总线挂接拓扑：

但RS485总线模式远不如CAN总线可靠。

CAN总线可以隔离故障单机，但RS485一旦单机故障，则整条总线失效。从机故障使总线常低，则整条总线上单机均无法正常通信，且无法隔离故障单机。

且RS485两个单机同时发送易产生故障，可在线路上串接二极管防止倒灌造成的设备损伤。

2. 采用与门扩展

T I参考设计 TIDA-01365：TIDA-01365 参考设计 | 德州仪器 TI

效果与一主多从总线上串接二极管类似，也仍旧无法隔离故障单机。

采用与门，左侧设备无需更换通路即可接收右侧四路中任一路的消息，但因为缺乏仲裁机制，一旦有两路同时发送，左侧设备将无法识别且接收错误消息。

3. 采用模拟开关扩展

使用模拟开关作为从设备通路选择。如下图，橙色信号为CPU信号，UART_RX及UART_TX为CPU的UART接口信号，GPIO_422_A0，GPIO_422_A1，GPIO_422_EN为CPU输出的控制信号。

案例中选用的模拟开关为ADI的ADG1609，该模拟开关在单5V供电时，导通阻抗为12.5Ω，-3dB点频率为72MHz。UART一般最高速率为10Mbps，因此该模拟开关不会影响UART通信质量。

4路输出信号分别连接接口转换芯片，取其中一路UART_CH1为例，其接口电路如下：

使用模拟开关将一路UART扩展为四路，需CPU控制模拟开关通断，一般只用于CPU作为主设备的情景，且因为需要控制模拟开关切换，增加软件开发工作。而模拟开关切换及通道建立需要时间，也会稍微增加通信延时，但模拟开关的切换及通道转换时间一般在1us以内，对常用的RS485/422通信来说，延时并不明显。例如，对115200的波特率，ADG1609切换造成的延时最小可控制在1bit宽度。

采用模拟开关扩展通信接口，当发现其中一路外引接口故障时，可以选择不再切换至该通路，因此可以实现故障单机的隔离，确保剩下通路仍旧能够正常通信。

4. 采用专用芯片扩展

扩展芯片种类较多，一般内部均有FIFO等存储空间，使用方便，适用于需要接收多路大量数据的场合。对于需要经常发送，且接收数据量不大的场合，略有浪费。

1）利用FIFO转接多路UART， CPU接口信号为控制信号及8bits数字信号。常用芯片有：TL16C554(TI)，CH438Q(沁恒，国产)

以下为TL16C554基本连接及功能框图：

2）使用其他总线转多路UART：

使用SPI/I2C总线芯片转多路UART，常用芯片有：MAX14830 (ADI，SPI转4路UART)，SC16IS762 (NXP，SPI或者I2C转2路UART)，GM8142(成都国腾微电子，国产，SPI转4路UART)。

还有USB转多路UART，如FTDI公司的FT4232H，以及I2C转2路UART，如NXP的SC16IS752等。

以下为MAX14830功能框图及典型用法：

5. 采用FPGA或者MCU芯片扩展

FPGA可实现同步设计，所有接口可以同时通信。接口挂接在FPGA的IO管脚上，内部编程实现数据交互。

或者也可采用STM32等UART接口较多的芯片做主控，实现专门的RS485集线器设计。

但占用FPGA资源，或者STM32等MCU芯片只用于实现UART扩展，成本较高。使用FPGA或MCU更适合做综合的接口处理板，RS485集线器只是作为其中一部分功能。