通讯网络电路 RS232、RS485、CAN、Ethernet

出处:网络整理时间:2026-09-08
  描述常见的 通讯 电路使用场景,以及通讯电路的原理图设计以及#layout设计 ,不会详细讲述电路的原理,是自我学习的一个总结
  电路设计注意事项:
  1. 在通讯电路的接口处需要接TVS管来保护防静电损坏器件
  2. 收发器和控制信号之间需要加匹配 #电阻 ,放置反射
  3. 部分控制器收发端需要增加上下拉电阻,来保证IO点电平的确定性
  4. 收发器的电源需要增加滤波电容,来增加电容的稳定性
  1. CAN 收发电路
  CAN通讯电路时一对差分信号,分成一路CAN_H和一路CAN_L,是异步半双工的通讯模式。
  CAN总线采用线与进行仲裁,即当有一个节点处于通讯状态(显性)的时候,总线处于显性电平也就是发送状态,显性电平在总线上具有优先权。
  CAN电路的原理是将MCU发送的TTL信号转换成差分信号在总线上进行传输。
  1.1 CAN通讯电路分 类 :
  CAN通讯电路大致分为两类:
  低速#CAN电路:高速CAN电路时开环拓扑结构,这种结构一般是点对点的传输,单点故障影响较小,传输距离较远。
   这里可以看到开环的终端处要连接2.2kΩ的电阻做 阻抗 匹配
  高速CAN电路:低速CAN电路一般是闭环拓扑结构,这种结果数据沿着闭环电路传输,直到信息传输完成。
  闭环的终端要连接120Ω的电阻避免信号在终端发生发生 反射
  1.2 CAN的电路设计:
  CAN的#电路拓扑 比较简单通常就是一个CAN收发器加上外部的电源以及滤波电容TVS管保护等等
   该图片来源网络
  这个电路图的要点在于:
  1. 在差分信号对上有TVS管防止静电和信号的浪涌,用来保护CAN收发器
  2.  电源端加上1uF 10nF 100nF的滤波,来保证电源的质量稳定
  3. 在CAN_TX CAN_RX上要加入对应的匹配电阻
  4. 一般可以在CAN的控制端TX RX信号端加上对应的LED指示灯来显示信号的传输情况
  5. 这个电路没有显示,如果这个CAN电路是终端节点,需要在CAN_H CAN_L加上120欧姆电阻,设计的时候可以增加0欧电阻或者拨码来NC掉,需要使用的时候用拨码来控制。
  1.3 LAYOUT原则:
  1. 器件就近就近放置
  2. CAN的差分信号尽量登场
  3. CAN信号比较敏感,需要原理高频模块
  4. CAN走线优选表层,以及底层的电路
  2. RS232通讯电路
  RS232是常用的一种串行通讯接口,RS232是点对点传输的,传输的速度随着距离的变长变短。
  RS232是全双工异步的,发送数据和接受数据可以同时进行。
  RS232的通讯原理同样是是通过232电平转换芯片,把对应的TTL信号转换位232电平标准进行传输,再转换回来。
  2.1 RS232电路设计:
   设计要点:
  1. C1,C2,C3,C4这四个电容是电荷泵电路的关键 C1,C2参与电荷泵的充放电,使得电荷泵能在两个相位之间切换,像输入单电源(TTL)能抬升到更高的电压(RS232电平)或者降低到更低的电压,C3,C4维持电荷泵输出电压的而稳定,滤波,吸收噪声,提高通信质量
  2. 一般再T2IN端会加一个上拉电阻,串口发送数据位起始位往往是从高变低的,我们不能确定处理器的初始状态,所以加一个上拉,保证初始处于拉高状态。
  3. R2OUT(MCU)端一般会加一个串联的匹配电阻,避免阻抗突变,减少信号反射。
  4. 一般RS232_TX RS232_RX端会接上TVS管,来保护RS232收发器避免被击穿
  2.2 LAYOUT原则
  1. 器件摆放尽量靠近引脚
  2. 走线远离电源,远离高频模块
  3. 连接器和收发器之间不能放其他的集成芯片
  3. RS485通讯电路
  是RS232的改进通讯方式,与CAN类似,但在关键的一些方面存在差异,485是半双工的,传输信号为差分信号,只能有一个节点为主机。
  RS485的原理为将MCU发来的TTL信号转换成差分信号进行传输,这一点也和CAN类似
   3.1 与CAN通讯的区别
  尽管RS485和CAN总线在某些方面具有相似之处,但它们在设计、功能和应用场景上存在显著差异,这些差异决定了在特定应用中选择使用CAN总线而不是RS485的原因。以下是一些主要原因:
  1. 网络拓扑结构:
  - CAN总线支持多主总线结构,任何节点都可以在任何时间发送数据,而RS485通常采用主从结构,只有一个主设备可以控制通信。
  2. 通信协议:
  - CAN总线具有一套完整的通信协议,包括数据链路层和物理层,支持非破坏性仲裁和错误检测,而RS485主要实现简单的串行通信。
  3. 实时性和确定性:
  - CAN总线通过基于优先级的仲裁机制,确保高优先级的消息能够优先传输,适合实时性要求高的应用。RS485则缺乏这种机制。
  4. 错误处理能力:
  - CAN总线具有强大的错误检测和处理能力,如错误帧的自动重发机制,而RS485的错误处理能力较弱,主要依赖上层软件处理。
  5. 节点数量:
  - CAN总线理论上可以支持更多的节点,通常可达110个,而RS485总线上可以连接的设备数量相对较少。
  6. 传输速率和距离:
  - CAN总线在低速模式下可以实现更远的传输距离(可达10km),而RS485虽然传输速率较低,但传输距离也相对较短。
  7. 应用领域:
  - CAN总线初为汽车行业设计,现已广泛应用于工业控制、航空航天、医疗设备等需要高可靠性和实时性的领域。RS485则更多用于工业控制和一些简单的数据传输场景。
  8. 成本和复杂性:
  - CAN总线可能需要更复杂的硬件和软件支持,成本相对较高,但其带来的高可靠性和实时性在某些应用中是必需的。
  3.2 RS485电路设计
    电路设计要点:(该原理图展示不全)
  1. 电源部分一般要并联10uF 100nF 10nF电容来滤除噪声
  2. RXD端口要连接22欧姆电阻,做阻抗匹配
  3. 485ctrl做对应的下拉,来保证管脚状态确定性
  4. 485A 485B一般要加上TVS管,防止静电击穿
  3.3 LAYOUT原则
  1. 外部电容要靠近芯片引脚位置放
  2. TXD信号的匹配电阻放在MCU端;RXD信号的匹配电阻放在收发器端
  4. Ethernet(以太网)通讯电路
  IEEE 802.3  : 以太网
  IEEE 802.11: 无线局域网
  一般实现以太网的结构为:
  MCU芯片(MAC) + PHY芯片 + RJ45(网络变压器)
  网络 变压器 作用,用变压器实现电磁隔离,来满足以太网标准里规定了以太网网络设备信号之间必须满足1500V的耐压隔离要求。
  4.1 Ethernet电路设计:
  MII接口(常用):
  位宽为4bits;速度为100Mbps/10Mbps
  PHY芯片设计:
  具体电路没什么要点,参考datasheet推荐电路
  RJ45网络变压器推荐电路:同上参考datatsheet
  4.2 LAYOUT 要求:
  1. TX_P TX_N RX_P RX_N layout过程中应采取差分走线,PCB阻抗为100欧姆
  2. 信号远离高频模块
  3. 避免高速信号出现直角转弯
  4. PHY芯片和MAC控制器靠近放置,缩短数据线长度,减少信号延迟和干扰

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