隔離RS-485的通信接口設(shè)計(jì)※

邢毅川，牟憲民，章艷

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，大連 116024）

引 言

在通信距離為幾十米到上千米的情況下，RS－485總線是一種應(yīng)用最為廣泛的總線。在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于設(shè)備工作現(xiàn)場和傳輸信號(hào)電纜途經(jīng)的電磁環(huán)境復(fù)雜，電荷積累在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可能存在較高的共模電壓，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。雖然RS－485接口采用了差分方式進(jìn)行發(fā)送與接收，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過RS－485接收器的極限電壓時(shí)（大于＋12V或小于－7V）[1]，接收器無法正常工作；嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件靜電擊穿，造成永久性損壞[2]，甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。

將RS－485通信接口電路的電源和信號(hào)進(jìn)行隔離的方式可以提高通信接口電路的抗干擾能力。一般采用DC／DC隔離電源模塊將系統(tǒng)和RS－485收發(fā)器的電源隔離，使用光耦將信號(hào)隔離，消除共模電壓的影響。采用光耦隔離實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離傳輸?shù)腞S－485電路，具有分立器件多、電路繁瑣、體積大、傳輸速率受光電器件限制等缺點(diǎn)，因此對(duì)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性有一定的影響。

本文采用低價(jià)的ISO3082實(shí)現(xiàn)RS－485接口電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)大大減小了通信接口的體積，電路簡單，傳輸速率快，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，給應(yīng)用帶來很多方便。

1 通信接口電路組成

設(shè)計(jì)的電路包括電源隔離和信號(hào)隔離兩部分，實(shí)現(xiàn)了單電源供電，簡化了電路。圖1是通信接口電路的原理框圖。電源提供＋5V電壓，為ISO3082控制端供電。隔離變壓器和其驅(qū)動(dòng)電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成隔離型DC／DC電源模塊，為ISO3082總線端提供＋5V電源，與控制端電源隔離。控制信號(hào)和總線端口通過ISO3082隔離。

2 隔離電源電路

隔離電源電路采用變壓器隔離，電路如圖2所示。MAX253用來驅(qū)動(dòng)推挽型變壓器，發(fā)出的D1、D2方波信號(hào)波形互補(bǔ)，占空比均為50%。為了減小變壓器體積，使FS懸空，選定頻率為315kHz。變壓器選用EI19的磁芯，0.4mm2的漆包線，原邊繞組匝數(shù)為5匝，副邊繞組匝數(shù)為10匝。D1、D2兩個(gè)快恢復(fù)肖特基二極管1N5817組成全波整流電路，獲得的直流電壓大于6.5V。輸入電壓大于6.5V時(shí)，AMS1117正常工作，其輸出端需要加電容來補(bǔ)償頻率，22μF的鉭電容保證所有操作條件下的穩(wěn)定。輸出＋5V電壓為ISO3082供電。

圖1 RS-485隔離原理框圖

圖2 隔離電源電路

3 信號(hào)隔離

ISO3082是TI公司推出的隔離型RS－485接口芯片，采用SOW－16封裝，內(nèi)部集成了一個(gè)3通道隔離器件和一個(gè)半雙工RS－485收發(fā)器，2 500V隔離電壓，共模電壓抑制能力為25kV／μs，傳輸速率為200kbps。設(shè)計(jì)的推挽DC／DC電力電子變換電路，實(shí)現(xiàn)了接口電路電源的隔離，為ISO3082接口芯片提供電源，因此通信接口電路只需單電源供電即可工作。信號(hào)隔離電路如圖3所示，控制信號(hào)由接口J1接入芯片ISO3082，經(jīng)過轉(zhuǎn)換與隔離，通過接口J2與設(shè)備通信。ISO3082實(shí)現(xiàn)RS－485收發(fā)功能框圖如圖4所示，由圖4可以得出芯片ISO3082實(shí)現(xiàn)RS－485通信的收發(fā)真值表。

圖3 信號(hào)隔離電路

4 ISO3082實(shí)現(xiàn)RS-485收發(fā)功能框圖

表1 接收真值表

表2 發(fā)送真值表

4 通信接口電路制作

使用Protel設(shè)計(jì)了電路的原理圖[4]（圖略——編者注）。為節(jié)約成本，使用單面覆銅板腐蝕方法手工制作電路板，因此在繪制電路板時(shí)，對(duì)相應(yīng)的導(dǎo)線進(jìn)行了適當(dāng)加粗。選擇30mil寬度，焊盤直徑設(shè)定為80mil，過孔直徑為30mil。

打印電路圖時(shí)只選擇PCB的Toplayer層和Multi－Layer層的Top、Bottom、Double Sided和 Holes層。將板圖用激光打印機(jī)打印到熱轉(zhuǎn)印紙上的光面上，用透明膠帶將已確定好位置的圖紙（光面貼著覆銅面）的一邊固定到覆銅板上；然后將固定的一邊放進(jìn)溫度達(dá)到170℃左右的塑封機(jī)中[4]，看準(zhǔn)時(shí)機(jī)（完全壓過圖紙，而覆銅板仍夾在塑封機(jī)滾筒間）按反向按鈕5次；等溫度下降以后，慢慢揭下熱轉(zhuǎn)印紙，觀察墨跡是否完全轉(zhuǎn)印到覆銅板上，若有連接線，則斷開用記號(hào)筆補(bǔ)上。

將熱轉(zhuǎn)印好的覆銅板放進(jìn)三氯化鐵溶液進(jìn)行腐蝕，大約25min后腐蝕完成。取出線路板清洗掉線路表面的墨跡，在需要鉆孔的地方根據(jù)元器件的情況選擇合適直徑的鉆頭進(jìn)行打孔。最后將電路元件裝配電路板上進(jìn)行焊接。

5 RS-485收發(fā)測(cè)試

為了檢測(cè)ISO3082的RS－485收發(fā)功能，進(jìn)行如下測(cè)試。首先，使DE和短接后置低電平，通過單片機(jī)的RS－485通信口輸出數(shù)據(jù)，接入A、B信號(hào)，從R測(cè)試點(diǎn)測(cè)試R端輸出波形。波形驗(yàn)證了ISO3082從總線上接收數(shù)據(jù)的能力，能很好地保持波形的完整性，并且隔離掉了上升沿和下降沿的瞬時(shí)抖動(dòng)。

最后，用單片機(jī)通過ISO3082的RS－485收發(fā)器發(fā)送一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)0xa6，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，波特率為25 kbps，分別測(cè)量D、DE、A－B信號(hào)波形。再用收發(fā)器接收該數(shù)據(jù)，測(cè)量A－B差分信號(hào)的R信號(hào)波形。可以看出，基于ISO3082的收發(fā)器很好地實(shí)現(xiàn)了RS－485通信。

結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由ISO3082為核心的隔離RS－485收發(fā)器，在傳輸速度為200kbps以下時(shí)完全能滿足要求。本文設(shè)計(jì)的RS－485通信接口電路簡單、體積小、性能可靠、使用方便。在對(duì)傳輸速度要求較高或要求全雙工收發(fā)的場合，可以選用同一系列的隔離芯片ISO3088，其傳輸速度為20Mbps。同樣的傳輸速率下，ISO3088能實(shí)現(xiàn)全雙工收發(fā)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 穆斌，羅珣.RS－485總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的安全與可靠性[J].光學(xué)精密工程，2003，11（2）：90－94.

[2] 楊新華，張勇勝，包廣清，等.一種無源隔離型RS－485通信接口的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2002，29（3）：50－51.

[3] 虞日躍，史洪源.RS－485總線的理論與實(shí)踐[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001（11）：55－57.

[4] 杜剛.電路板設(shè)計(jì)與制作：Protel應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.