摘要
本文討論了使用RS-485設(shè)計(jì)電表通訊電路的一些最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。參照IEC 61036和DL/T645等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文還討論了元件選擇和性能折衷問題。為幫助電表工程師成功地設(shè)計(jì)出自己的電路，本文還提供了一些參考設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。
Abstract
This paper discusses best practices for designing energy meter communication circuits using RS-485. Component selection and performance tradeoffs are covered with reference to relevant standards such as IEC 61036 and DL/T645. Reference design details are provided to help energy meter engineers successfully complete their own circuit designs.
關(guān)鍵字
RS-485，自動(dòng)讀表系統(tǒng)(AMR)，網(wǎng)絡(luò)化電表，TIA/EIA-485，ISO-8482，單位負(fù)載(UL)，瞬態(tài)電壓電涌，
引言
電表(e meters)作為一種在供電地點(diǎn)度量用戶用電量的儀表在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的電表本質(zhì)上是機(jī)電式儀表，如果要收集用戶賬號(hào)的用電信息就必須定期到現(xiàn)場(chǎng)查閱表的讀數(shù)。最新一代的電表是具有網(wǎng)絡(luò)通訊、自檢和對(duì)各個(gè)時(shí)間段進(jìn)行智能記帳等新特性的電子式儀表。
新一代電表可以對(duì)用戶用電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和信息存儲(chǔ)。因?yàn)樵S多公共部門鼓勵(lì)非高峰用電，可能在不同的時(shí)間段有不同的電價(jià)。所以，不僅需要計(jì)量總耗電量，還需要計(jì)量在每個(gè)時(shí)間段的耗電量。
同耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力的人工讀表方式相比，電表聯(lián)網(wǎng)的集中采集數(shù)據(jù)功能具有很大的優(yōu)越性，在裝表數(shù)量增多和人力成本提高的情況下尤為如此。因?yàn)?，不必?jīng)常派人去接觸分布在各個(gè)地方的電表，網(wǎng)絡(luò)化的電表自動(dòng)讀表系統(tǒng)(AMR)還進(jìn)一步減少了人身安全方面的問題。由于網(wǎng)絡(luò)化電表在安裝地點(diǎn)上更為靈活，所以安裝成本也會(huì)更低一些。
網(wǎng)絡(luò)的互連結(jié)構(gòu)有總線、菊花鏈或樹結(jié)構(gòu)等多種方式可以采用。從互連的角度來看，總線結(jié)構(gòu)相對(duì)來說是效率較高的結(jié)構(gòu)之一。對(duì)總線式結(jié)構(gòu)，一般盡量縮短主干總線長度。各個(gè)電表都通過短線連接到主干總線上，所有節(jié)點(diǎn)都可以得到總線上的信號(hào)。公共總線上的通訊，比如一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否可以傳送數(shù)據(jù)，通常由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)來控制。
必須傳送到電表和必須在電表之間傳送的數(shù)據(jù)包括設(shè)置數(shù)據(jù)、用電量數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)。在初裝過程中、修復(fù)之后以及必須更新收費(fèi)率或時(shí)間段數(shù)據(jù)時(shí)，需要把設(shè)置數(shù)據(jù)傳送給電表。用電量數(shù)據(jù)可以從電表定期收集，它可能包括各個(gè)時(shí)間段的功率、電壓和電流數(shù)據(jù)以及高峰用電量、平均用電量和其它統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。診斷數(shù)據(jù)不僅可以用來對(duì)功率分布狀態(tài)進(jìn)行抽樣，也可以用來顯示電表本身的狀態(tài)。
有幾種方式可用于同電表進(jìn)行通訊。一個(gè)流行的方法是使用由TIA/EIA-485 和 ISO-8482標(biāo)準(zhǔn)定義的RS-485差分信令通過雙絞線連接。這種方法具有噪聲抑制性能高、信令速率高、可以在一個(gè)單獨(dú)的總線上實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點(diǎn)。其它方法包括各種無線技術(shù)、通過電力線傳送信令和本地紅外(IR)鏈接。在這里，我們主要討論基于485的解決方案。
RS-485接口
RS-485能夠以半雙工或全雙工模式工作。實(shí)現(xiàn)全雙工需要兩對(duì)線，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接收一對(duì)線上數(shù)據(jù)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)另一對(duì)線。在半雙工模式下，唯一的一對(duì)線既用于驅(qū)動(dòng)也用于接收。不論哪種模式，總線上所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作都必須受到控制，以使得在任何時(shí)候在任何一對(duì)線上最多只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于工作狀態(tài)。
兩個(gè)以上驅(qū)動(dòng)器在相同的一對(duì)線上同時(shí)工作將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤，這種情況稱為總線競(jìng)爭(zhēng)。有以下幾種控制策略可以避免總線競(jìng)爭(zhēng)。一個(gè)是在總線上設(shè)置唯一的永久主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器是否可以傳送數(shù)據(jù)由永久主節(jié)點(diǎn)控制。另一個(gè)是通過優(yōu)先權(quán)方案確定一個(gè)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)充當(dāng)主節(jié)點(diǎn)。還有一個(gè)策略是對(duì)總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)間段?？偩€控制策略由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者決定，策略的選擇可能受到可用處理能力的限制。在需要同其他現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)采用的協(xié)議也可能限制設(shè)計(jì)者的選擇范圍。
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圖1 帶有唯一主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)副節(jié)點(diǎn)的半雙工485網(wǎng)絡(luò)
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信號(hào)均衡
對(duì)于電表應(yīng)用，RS-485信令有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槭褂昧瞬罘烛?qū)動(dòng)器和接收器，50/60 Hz的交流干擾和高頻(HF)干擾等外部噪聲源得到有效抑制。信號(hào)均衡的理想情況是噪聲等價(jià)地耦合到兩條線上(共模)，此時(shí)差分噪聲信號(hào)為零。如果電表網(wǎng)絡(luò)線必須按照工廠或住宅來布線，在考慮到工業(yè)設(shè)備、家用電器和大氣噪聲等情況時(shí)，這種噪聲抑制方法就非常重要。比如IEC 61036標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定了可以在頻率范圍為80MHz到1000 MHz，場(chǎng)強(qiáng)達(dá)10V/m的噪聲條件下工作的測(cè)試儀表。TI的收發(fā)器(如SN65LBC182)可以良好地抑制這個(gè)頻率范圍的高頻噪聲，同時(shí)保持了對(duì)信令頻率范圍內(nèi)的差分信號(hào)的靈敏度。
在使用RS-485設(shè)計(jì)通訊設(shè)備時(shí)，必須考慮這種均衡信號(hào)方法。電纜選擇、連接器引腳設(shè)定和電路板布局應(yīng)保持兩條信令線彼此接近，以便保持它們具有相近的電氣特性。無論是采用屏蔽線或非屏蔽線，最適合于RS-485的雙絞線特征阻抗是100到120歐。連結(jié)器引腳位置應(yīng)緊挨著。電路板上不同信號(hào)路徑的引線長度應(yīng)相同，以避免阻抗躍變(導(dǎo)致反射現(xiàn)象)或兩個(gè)信號(hào)的阻抗失配。
信號(hào)電平和總線負(fù)載
符合485標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電路必須具有向54歐負(fù)載提供至少1.5V差分電壓的能力。符合485標(biāo)準(zhǔn)的接收電路必須具有最低可以檢測(cè)到200mV差分電壓的能力。這兩個(gè)準(zhǔn)則對(duì)于保證節(jié)點(diǎn)之間可靠通訊給出了相當(dāng)大的寬裕度，甚至當(dāng)電纜和連結(jié)器上的信號(hào)嚴(yán)重失真時(shí)也可以保持系統(tǒng)正常工作。由于這個(gè)原因，RS-485非常適合于節(jié)點(diǎn)之間需要長線的應(yīng)用，比如分布在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或住宅小區(qū)的聯(lián)網(wǎng)電表。
驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際差分輸出依賴于它必須供給負(fù)載的電流。因?yàn)槊恳粋€(gè)接收節(jié)點(diǎn)都需要一定量的總線電流，所以工作驅(qū)動(dòng)器必須提供的總電流隨著總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大。485標(biāo)準(zhǔn)定義了單位負(fù)載(UL) 。在為485通訊所規(guī)定的總線電壓范圍(-7V 到12V)內(nèi)，單位負(fù)載可以等效為大約12千歐的電阻。帶有32個(gè)這樣的單位負(fù)載再加上兩個(gè)120歐的終端電阻(在該總線兩個(gè)末端上)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器必須提供負(fù)載電流的總負(fù)載為54歐。DL/T 645等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)反映了這些考慮，DL/T 645 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一個(gè)接口至少應(yīng)具有處理32個(gè)負(fù)載的能力。
SN65LBC182 和 SN65LBC184等收發(fā)器有"小單位負(fù)載"的款式，這意味著這些產(chǎn)品需要從總線獲得的電流較小。所以，使用這些1/4單位負(fù)載收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)可以連接多達(dá)128個(gè)節(jié)點(diǎn)而不會(huì)使任何同485匹配的驅(qū)動(dòng)器過載。
總線長度
隨著總線長度的增加，有幾個(gè)因素可能會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)傳送質(zhì)量的降低。銅線的電阻會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電平的下降，但通常并不嚴(yán)重 。影響更為嚴(yán)重的是信號(hào)的高頻成分衰減。這將造成信號(hào)脈沖邊緣平滑，并將導(dǎo)致信號(hào)間互擾(ISI)和位時(shí)序抖動(dòng)(bit timing jitter)。因?yàn)榇嬖谶@些現(xiàn)象，必須認(rèn)真考慮總線長度和信令速率的配合問題。對(duì)于大多數(shù)電表應(yīng)用，信令速率低于250 kbps就足夠了。DL/T 645標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信令速率應(yīng)低于100 kbps。在這個(gè)速率下，高頻信號(hào)衰減在總線長度低于1200米時(shí)可以忽略。SN65LBC182和 SN65LBC184等收發(fā)器對(duì)這些信令速率的驅(qū)動(dòng)輸出進(jìn)行了優(yōu)化，從而降低了電磁干擾(EMI)程度，減少了總線上引線反射所產(chǎn)生的問題。
接口隔離
在許多應(yīng)用中，我們希望在電氣上把總線上的各種節(jié)點(diǎn)隔離開來以消除由于接地環(huán)、傳導(dǎo)噪聲、高頻共模電壓等超出了RS-485共模電壓范圍的干擾信號(hào)。下圖展示了一個(gè)隔離接口的例子。對(duì)于采用節(jié)點(diǎn)控制器連接到單一收發(fā)器的信號(hào)需要3個(gè)光電耦合器。這里采用一個(gè)隔離的電壓源(用VBUS表示)向收發(fā)器和與之相關(guān)的偏置元件供電。該節(jié)點(diǎn)的其它部分由VNODE供電(通常來自變壓器其它繞組)。只要保持整個(gè)接口的電氣隔離，通訊就不受局部節(jié)點(diǎn)和總線接地之間的電位差的影響。
該電路的元件選擇比較簡單。選擇光電耦合器 需要考慮的主要參數(shù)是上升時(shí)間、下降時(shí)間和電流傳輸比。上升和下降時(shí)間同信令速率有關(guān)。按照485標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)于任何信號(hào)過渡過程，上升時(shí)間不應(yīng)超過位時(shí)間(bit time)的30%(位時(shí)間是信令速率的倒數(shù))。對(duì)于DL/T 645規(guī)定的100kbps的最大信令速率，最大上升/下降時(shí)間為3微秒。
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{ trise ,tfall }≤30%·(1/信號(hào)速率)=0.3·(1/100kpbs)=3μs
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因此，對(duì)所要求的信令速率，設(shè)計(jì)者在選擇光電耦合器時(shí)必須確認(rèn)該元件的上升時(shí)間和下降時(shí)間足夠短。
電流傳輸比(CTR)是輸出電流和輸入電流之比，CTR的大小同電路的驅(qū)動(dòng)能力和邏輯閾值有關(guān)。光電耦合器必須具有可以在各種條件下切換有效邏輯電平的能力。典型CTR范圍為75%到300%。
上拉電阻(R2、R3和R5) 限制了流過LED的電流。如果R2電阻值過大，電路將不能提供可靠轉(zhuǎn)換所需要的足夠大的電流，而電阻值過小將使驅(qū)動(dòng)邏輯級(jí)的輸出級(jí)飽和。當(dāng)R2的電阻值為330歐時(shí)，允許流過LED的電流大約為10mA，這對(duì)大多數(shù)光電耦合器是合適的。
光電三極管的偏置電阻 (R1、R4和 R6) 為隔離的邏輯輸出設(shè)定了電壓電平。對(duì)于一個(gè)典型的光電耦合器(CTR大于50%、LED電流為10mA)，電阻值取為5.1 千歐可以為切換邏輯電平提供足夠的寬裕度：
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光電三極管_輸出 LOW =VNODE-(ILED·CTR)RBIAS≈0V
光電三極管_輸出 HIGH =VNODE-(ILED·CTR)RBIAS≈VNODE V
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故障保護(hù)偏置
在正常工作條件下，485總線通過工作驅(qū)動(dòng)器送出一個(gè)幅度超過485的200mV閾值的有效差分信號(hào)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)同總線斷開時(shí)，接收器的輸入端檢測(cè)到一個(gè)開路信號(hào)，此時(shí)總線處于不確定狀態(tài)。這個(gè)條件可以導(dǎo)致某些485接收器輸出一個(gè)隨機(jī)狀態(tài)。SN65LBC182和SN65LBC184等收發(fā)器對(duì)總線開路有故障保護(hù)功能。通過在總線引腳上加一個(gè)小偏置(12 μA) ，當(dāng)總線開路時(shí)接收器輸出一個(gè)已知的狀態(tài)(邏輯高電平)。這個(gè)小偏置在正常工作條件下不起什么作用。
另一個(gè)有問題的情況稱為空閑總線情況。它發(fā)生在節(jié)點(diǎn)連接到帶有終端電阻的總線但沒有活動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的情況下。該總線沒有主動(dòng)地轉(zhuǎn)換到一個(gè)有效的485狀態(tài)，而終端電阻趨向于把差分電壓降低到零伏。DL-T/645規(guī)范要求高狀態(tài)空閑總線。為符合DL-T/645的要求，可以增加總線偏置電阻。如圖3中R7和R8所示，在無活動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的總線條件下，這兩個(gè)電阻將提供可以產(chǎn)生一個(gè)有效邏輯狀態(tài)的偏置。
對(duì)于在每個(gè)末端用一個(gè)120歐電阻端接的總線(總終端電阻為60歐)，一個(gè)4mA的偏置電流將產(chǎn)生一個(gè)高于485標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的200mV閾值的差分電壓。在供電電壓為5V時(shí)，這個(gè)4mA電流要求R7和R8的電阻值為600歐。你不能在所有節(jié)點(diǎn)都這樣做，因?yàn)檫@樣的硬連線故障保護(hù)電路必須使總的有效上拉/下拉電阻為大約600歐。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目常常是變化的，通常建議僅在總線上的一個(gè)位置加上拉/下拉電阻(通常在主節(jié)點(diǎn))。另一個(gè)方法是對(duì)在電表網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)增加終端電阻和偏置電阻。這個(gè)方法如下面的方案圖所示(見圖3)。這種方案通過開關(guān)插入端接電阻和故障保護(hù)偏置電阻，不管是末端節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)，總線上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)都可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整 。
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圖3 典型的帶有終端電阻和故障保護(hù)偏置電阻的終端節(jié)點(diǎn)
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當(dāng)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)總線到低狀態(tài)時(shí)，偏置網(wǎng)絡(luò)也相當(dāng)于總線上的一個(gè)電流負(fù)載。在共模偏移最壞的情況下，偏置電路的有效負(fù)載大約為20個(gè)單位負(fù)載。使用1/4單位負(fù)載收發(fā)器(如SN65LBC182或SN65LBC184)，在加上故障保護(hù)偏置電阻之后，這種偏置方法最多允許在一個(gè)總線上連接48個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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收發(fā)器的最大數(shù)目=(32單位負(fù)載-20單位負(fù)載)/每個(gè)收發(fā)器的單位負(fù)載
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例如，對(duì)于LBC182，
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LBC182的最大數(shù)目=12單位負(fù)載/每個(gè)收發(fā)器的1/4單位負(fù)載=48個(gè)收發(fā)器
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用戶常常產(chǎn)生這樣的問題：我是否應(yīng)該加入終端電阻？端接電流確實(shí)增加網(wǎng)絡(luò)的總功率。但是在每個(gè)末端使用等于該電纜的特性阻抗的終端電阻可以減小由于阻抗躍變產(chǎn)生的信號(hào)反射。特別對(duì)于電表應(yīng)用等電纜長度比較長的情況，建議采用終端電阻以保證數(shù)據(jù)信號(hào)一致。
| 網(wǎng)絡(luò) |
收發(fā)器 |
總線偏置 |
最大接收器數(shù)目 |
| 有終端電阻 |
1/4 單位負(fù)載 |
R7 = R8 = 600 Ω(僅在主節(jié)點(diǎn)上) |
48 |
| 有終端電阻 |
1/4單位負(fù)載 |
R7 = R8 = 1.2 kΩ(僅在兩個(gè)末端節(jié)點(diǎn)上) |
48 |
瞬態(tài)電壓保護(hù)
瞬態(tài)電壓電涌可以由雷擊、設(shè)備突然停機(jī)、感性負(fù)載切換和其它原因引起。ISO標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-5 描述了使用可以模仿這些條件波形來測(cè)試電路的一些方法。
如果兩條差分線承受相同的電涌，完全隔離的總線應(yīng)有一些保護(hù)電涌電壓的措施?？梢允褂梅至⒌乃矐B(tài)電壓抑制(TVS)齊納二極管 或通過選擇一個(gè)帶有集成瞬態(tài)電壓抑制的收發(fā)器對(duì)總線做進(jìn)一步的瞬態(tài)電壓保護(hù)。在選定TVS元件時(shí)，關(guān)鍵的參數(shù)是嵌位電壓和耗散功率。
嵌位電壓是齊納二極管用來鎖定總線電平的電壓，這個(gè)電壓不能太高以免破壞保護(hù)電路。但是，如果嵌位電壓太低，在收發(fā)器的工作范圍內(nèi)齊納二極管將被擊穿。這個(gè)范圍485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為-7到12V。
耗散功率速率是嵌位電壓和流過該設(shè)備的峰值電流的積，它顯示了TVS二極管可以承受而不被損壞的峰值功率。
SN65LBC184已經(jīng)在每個(gè)總線引腳上集成了TVS齊納二極管。這種方法保護(hù)節(jié)點(diǎn)不會(huì)由于浪涌電壓而受損壞，峰值耗散功率為400W。嵌位電壓選定為16V，這個(gè)電壓在485正常工作范圍之外，足以保護(hù)收發(fā)器的電路。同分立齊納二極管方式相比，集成TVS方式減小了電路板占位并節(jié)省了成本。
靜電釋放保護(hù)
在操作或電纜連結(jié)過程中，靜電釋放(ESD)可能損壞接口的集成電路。在選擇收發(fā)器時(shí)，總線引腳的ESD保護(hù)值高的收發(fā)器可以保證電表應(yīng)用電路的可靠性。有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以用來選定ESD保護(hù)值，其中，JEDEC標(biāo)準(zhǔn)(HB M )建立了一個(gè)人體ESD模型，ISO標(biāo)準(zhǔn) 建立了帶電物體的空氣放電和接觸放電模型。IEC 61036標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試8kV的金屬表面接觸放電(比如接口連接器)。DL/T 645標(biāo)準(zhǔn)要求電表通訊元件可以容許15kV 的HBM ESD放電。
收發(fā)器選擇
德州儀器制造了幾種適于在電表中使用的收發(fā)器。一個(gè)特定的收發(fā)器的選擇將取決于對(duì)一個(gè)專門應(yīng)用的要求和限制。表2對(duì)這些應(yīng)用列出了幾種可選方案。
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表1 TI 485 收發(fā)器在電表中的應(yīng)用
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SN65…或
SN75…收發(fā)器 |
供電電壓 |
集成的400WTVS |
信號(hào)速率 |
單位負(fù)載 |
ESD 保護(hù) |
| LBC182 |
5V |
否 |
可達(dá)250
kbps |
1/4 |
±8 kV (接觸)
±15 kV (空氣)
±15 kV (HBM) |
| LBC184(帶有集成的TVS) |
5V |
是 |
可達(dá)250
kbps |
1/4 |
>±30 kV (接觸
> ±15 kV (空氣)
> ±15 kV (HBM) |
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參考文獻(xiàn)
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·"TIA/EIA-485 (RS-485)接口電路", TI設(shè)計(jì)備忘錄, SLLA036
·"422 and 485 Standards Overview and System Configurations", Texas Instruments Application Report, SLLA070
·"422 和 485 標(biāo)準(zhǔn)概覽和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)", TI公司應(yīng)用報(bào)告, SLLA070
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·TIA/EIA-485-A, "用于均衡式數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和接收器的電器特性"
·TIA/EIA-TSB 89, "Application Guidelines for TIA/EIA-485-A"
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