基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器

張悅君

（大慶油田電力集團 供電公司，黑龍江 大慶 163453）

面對越來越多的設(shè)備、儀表采用了A、B兩線制標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，流行至今的轉(zhuǎn)換器式RS485隔離器模式以及該模式所涉及的各種新技術(shù)、新器件，客觀上只能越來越傾向于通信板卡的設(shè)計人員，而無法顧及廣大的RS485通信網(wǎng)底層用戶群體。另一方面，RS485具有的單極性脈沖驅(qū)動、總線式多節(jié)點連接、收發(fā)同線以及低阻抗負(fù)載等特殊性，使總線式RS485隔離器的設(shè)計遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)換器式RS485隔離器復(fù)雜和困難得多。筆者另辟蹊徑、力求簡捷，旨在較好地解決這一難題。

1 技術(shù)背景

1.1 RS485及其總線信號特征

RS485是一種經(jīng)濟型的傳統(tǒng)工業(yè)總線方式，支持點對多點半雙工數(shù)據(jù)通信，收發(fā)信號分時占用同一總線（雙絞線）。為避免總線沖突，0電平時A、B線由芯片輸出端真實驅(qū)動，并使UB-UA=5 V；而1電平時或總線空閑時，芯片輸出端呈現(xiàn)高阻，A、B線改由外接電阻偏置，并使UA略大于UB[1-2]。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接通常存在較大的地電位差，由此形成的共模干擾過大時，往往造成誤碼或硬件損壞。采用節(jié)點隔離器進(jìn)行電氣隔離，是保障安全通信的有效措施。

1.2 RS485隔離器的常見類型

按供電形式區(qū)分，RS485隔離器可分為有源隔離器和無源隔離器。其中無源隔離器雖然簡單，但因由串口竊電，使RS485應(yīng)有的驅(qū)動能力也大打折扣，所以僅適合節(jié)點數(shù)不多的通信網(wǎng)絡(luò)。目前有源隔離器已成為RS485隔離器的主流，而且隔離器中的接口側(cè)電路由接口內(nèi)的芯片電源直接供電（而非串口竊電）或由外接電源供電，該電源再經(jīng)隔離型DCDC為該隔離器的線路側(cè)電路供電[3]。

按隔離元件區(qū)分，除了經(jīng)典的分立式光電隔離器，還有近年出現(xiàn)的集成化單片隔離器。這類單片隔離器技術(shù)先進(jìn)、封裝小巧、性能優(yōu)異，其中包括以ADI公司基于芯片級變壓器的ADM2587E和ADM2582E為代表的磁隔離器[4]、以TI公司ISO1176T為代表的電容隔離器[5]和以NVE公司IL3585為代表的巨磁介質(zhì)隔離器[6]等。

1.3 RS485隔離器的端子模式

出于數(shù)據(jù)流向自動識別和控制的需要，常見的RS485接口芯片都采用了相同的引腳模式，即：MCU側(cè)為DI、RO、DE、RE，總線側(cè)為 A、B。受此影響，絕大多數(shù)RS485隔離器也不約而同地沿襲了這種做法，即：設(shè)備接口側(cè)端子為 T（發(fā)送）、R（接收）、C（方向控制），總線側(cè)端子為A、B。這類RS485隔離器實際上相當(dāng)于（或者就是）帶有隔離功能的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器。如果按照RS485隔離器來理解，我們不妨將這類帶有隔離功能的轉(zhuǎn)換器稱為轉(zhuǎn)換式RS485隔離器。顯然，轉(zhuǎn)換式RS485隔離器的兩側(cè)端子不同，電路也不對稱，因此有固定的安裝方向，兩側(cè)不可對調(diào)。1.2中所述隔離器均屬于轉(zhuǎn)換式RS485隔離器。

1.4 為底層用戶著想

至少在十年前，轉(zhuǎn)換式隔離器用于RS485總線節(jié)點隔離還是非常適宜的，因為那時的PC機及其它工業(yè)設(shè)備基本上還保留著RS232接口，所以實現(xiàn)起來既順理成章，又輕而易舉。然而時至今日，各種新產(chǎn)品中早已難見RS232蹤影，取而代之的是 A、B二線制 （或稱 A、B、GND三線制）的標(biāo)準(zhǔn)RS485接口。在這種情況下，一種新的、直接串接在A、B二線制總線上的總線式RS485隔離器 ，將會更受廣大RS485底層用戶群體的歡迎。

2 新需求帶來新思路

總線式RS485隔離器的基本設(shè)計要求是：

1）兩側(cè)端子相同、內(nèi)部電路對稱；

2）可直接串入A、B總線中而無需任何轉(zhuǎn)換；

3）能勝任點對多點通信；

4）盡可能避免使用外接電源；

5）結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡便；

所幸的是，武漢波士公司推出了一款并宣稱是世界上唯一的無源RS-485光電隔離器——BS485A。據(jù)稱，該隔離器兩頭完全一樣，均為 A、B、（GND），不分方向，無需收、發(fā)控制信號[7]。暫且不論其負(fù)載能力如何，也不論其能否勝任點對多點通信，至少它的出現(xiàn)將使得用戶在已有RS485總線上加裝隔離器變得如同在已有RS232總線上加裝隔離器一樣簡單方便，而且無需外接電源。這應(yīng)該是件了不起的事情，同時也符合筆者的創(chuàng)作取向。

3 用脈沖變壓器制作總線式RS485隔離器

為簡化總線式RS485隔離器的設(shè)計，現(xiàn)提出基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器的技術(shù)方案。

在集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的今天，變壓器在很多應(yīng)用領(lǐng)域早已被摒棄甚至遺忘。但就解決RS485的總線隔離而言，這種看似古老而笨重的器件，的確具有很多獨到之處，值得我們重新關(guān)注。

3.1 對脈沖變壓器情有獨鐘的15個理由

1）體現(xiàn)簡捷至上、返璞歸真的創(chuàng)作理念；

2）底層用戶群體極易理解和掌控；

3）成熟并繼續(xù)進(jìn)步的技術(shù)、材料、工藝支持；

4）令人信服的可靠性；

5）近乎永久的壽命；

6）用于因特網(wǎng)網(wǎng)卡的成功先例；

7）特別適合RS485單極性脈沖的驅(qū)動和傳輸；

8）符合國內(nèi)RS485通信網(wǎng)應(yīng)用、運行現(xiàn)狀；

9）無源的器件、無源的隔離----徹頭徹尾；

10）輕松隔離所有節(jié)點，使外部總線完全浮置；

11）相對較低的信號損失和電能損失；

12）無需考慮數(shù)據(jù)流向；

13）（在有限范圍內(nèi)）波特率自適應(yīng)；

14）簡便的安裝；

15）低廉的成本。

3.2 基本實驗電路

圖1是用脈沖變壓器隔離A、B二線制RS485節(jié)點的基本實驗電路。

圖1 基本實驗電路Fig.1 Basic experiment electric circuit

圖1中虛線框內(nèi)即為總線式RS485隔離器。其中脈沖變壓器用于節(jié)點隔離；瞬變電壓抑制二極管反向箝位于5.0 V，用于保護節(jié)點內(nèi)部的RS485芯片；正向箝位于0.7 V，用于維持1電平時及總線空閑時各節(jié)點RS485芯片A、B間所需的弱正偏電壓，并吸收脈沖變壓器振鈴。

3.3 脈沖變壓器及其主要參數(shù)

脈沖變壓器是一個工作在暫態(tài)中的變壓器。為獲得盡可能小的波形傳輸失真，對于給定的激勵脈沖寬度tw，應(yīng)使輸出波形的邊沿過渡時間tr和頂降λ都盡量小。在較高的要求下，一般須保證[8]:

式（1）中，twmin為激勵脈沖的最小寬度。

3.4 激勵脈沖寬度tw、輸出波形過渡時間tr與波特率B的關(guān)系

圖2是TTL電平的串行數(shù)據(jù)幀格式，每幀數(shù)據(jù)流中包含1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位、1位停止位。數(shù)據(jù)低位在先。

圖2 中，（a）、（b）、（c）依次為傳送 55H、00H、FFH 時的波形。就RS485信號而言，0電平期間對應(yīng)于脈沖變壓器的被激勵時段，而（b）、（c）波形代表了兩種極端被激勵情況。

如果設(shè)數(shù)據(jù)通信的波特率為B，則圖2中的每一個bit位的持續(xù)時間為1/B。不難理解，對于給定的波特率B，作用于脈沖變壓器的激勵脈沖的最大寬度和最小寬度分別為

圖2 串行數(shù)據(jù)幀格式Fig.2 The frame form of serial data

設(shè)RS485通信的波特率上下限分別為Bmax、Bmin，則根據(jù)式（1）、（2）、（3）、（4），要求脈沖變壓器：

3.5 關(guān)于初、次級間的耦合電容

光耦芯片的輸入、輸出間的耦合電容很小。相比之下，脈沖變壓器初、次級間較大的耦合電容，不利于高頻或尖峰共模沖擊干擾的隔離抑制。為解決這一問題，可盡量選用超高導(dǎo)磁率的鐵芯，并改進(jìn)變壓器繞制工藝，降低繞組分布電容；還可以在變壓器的初、次級繞組間增設(shè)屏蔽層，并將屏蔽層接地[9]。

4 實驗情況及脈沖變壓器設(shè)計依據(jù)

理論上，我們當(dāng)然希望用作RS485隔離器的脈沖變壓器能夠覆蓋RS485通信中可能遇到的所有波特率——從75 bit/s直到10 Mbit/s，但事實上任何一只脈沖變壓器都不可能做到這一點，也沒有必要這樣要求。由此形成的思路是，可用系列化的脈沖變壓器實現(xiàn)各種常用波特率的分段覆蓋，以供用戶選擇。另一方面，只有較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信才有必要加裝隔離器，而較遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的波特率既不會太高，也不會太低。這也會使問題更加簡化。

對于RS485通信網(wǎng)，若用Bmax和Bmin分別表示某一區(qū)間的波特率上下限，則通常情況下:

而工業(yè)環(huán)境下最有可能的波特率范圍是:

其上下限比值:

根據(jù)筆者的實驗結(jié)果，由同一只脈沖變壓器兼顧Bmax/Bmin＝ 8 并不難做到。 以此為例， 參照式 （5）、（6）、（7）及RS485接口芯片常規(guī)電氣指標(biāo)，可得符合式（10）的脈沖變壓器的主要設(shè)計依據(jù)為：

5 結(jié)束語

1）利用脈沖變壓器，可較好地解決總線式RS485隔離器設(shè)計復(fù)雜的技術(shù)難題，并具有簡單實用、無需電源、無需考慮數(shù)據(jù)流向、在有限范圍內(nèi)波特率自適應(yīng)、底層用戶群體易于理解和掌控等特點。

2）基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器，尤其適合于空間電磁場比較復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下半雙工的A、B二線制RS485通信網(wǎng)的升級改造。

3）隔離所有節(jié)點后，一般應(yīng)為處于浮置狀態(tài)的通信線路提供靜電泄放通道[10]。這時可采用帶屏蔽層的雙絞線作為通信線路，并將其屏蔽層接至地網(wǎng)。

4）文中所述方案的基本思想也適用于全雙工的W、X、Y、Z四線制RS485/RS422通信網(wǎng)的節(jié)點隔離。

[1]深圳市天地華杰科技有限公司.485總線工業(yè)級設(shè)計指南[EB/OL].[2011－06－15].http://www/chinakong.com/qiye/artic leview.asp？id=2718.

[2]余永權(quán)，湯榮江.計算機接口與通信[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[3]晶圓.jerrymiao.隔離技術(shù)在RS485/422中的應(yīng)用[EB/OL].[2011 －06 －15].http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp？bbs_sn=3923077&bbs_page_no=7&bbs_id=3045#002.

[4]ADI公司.ADM2582E:信號和電源隔離的RS－485收發(fā)器[EB/OL].[2011－06－15].http://www.analog.com/zh/adm2582E.

[5]TI公司.ISO1176隔離 PROFIBUS RS485收發(fā)器[EB/OL].[2011－06－15].http://www.ti－iso.com/product.aspx？key=ISO1176.

[6]NVE公司.應(yīng)用方案[EB/OL].[2011－06－15].http://wenku.baidu.com/view/2706696baf1ffc4ffe47ac3a.html.

[7]武漢波士電子有限公司.BS485A波士無源RS－485光電隔離 器 [EB/OL].[2011－06－15].http://www.bosika.com/files/BS485A.pdf.

[8]王瑞華.脈沖變壓器設(shè)計[M].2版.北京：科學(xué)出版社，1996.

[9]孫育才，蘇學(xué)成.單片微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1990.

[10]寧曰湧.無源雙端全隔離方案的提出與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2011，19（9）：30－33.

NING Yue-yong.Proposed and implemented without external power supply at both ends of the complete isolation scheme[J].Electronic Design Engineering，2011，19（9）：30－33.