RS485接口電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用

摘要：本文介紹了基本的RS485硬件接口電路，并從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，給出了接口防護(hù)和自動(dòng)收發(fā)的電路設(shè)計(jì)思路，為RS485協(xié)議下的多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：RS485總線；接口防護(hù)；自動(dòng)收發(fā)；多機(jī)通信

Abstract：In this paper，basic interface circuit of RS485 bus is intro- duced，and RS485 bus interface protection and automatic transmission circuit is proposed for providing references for multi-computer communi-

cation system designing.

Keywords：RS485 bus；interface protection；automatic transmission；multi-

computer communication

1.引言

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要在主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和控制。出于成本和可靠性地考慮，通常利用串行通訊的方式，使用簡(jiǎn)單通訊協(xié)議，采用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)。目前大部分單片系統(tǒng)上集成的是異步通訊串口（UART），傳輸距離一般不超過(guò)30m，傳輸信號(hào)容易受到干擾，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)男枨蟆６恍枰趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)中增加一塊MAX485之類的接口轉(zhuǎn)換芯片，即可將單片機(jī)通用異步串口改造成RS485串行總線的通信方式。RS485協(xié)議是以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模于擾的能力，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，同時(shí)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，容易組建成本低廉、可靠性高的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.RS485系統(tǒng)機(jī)制

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，通常采用主從模式接口，下圖1是RS485總線協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)通信完全由主機(jī)主導(dǎo)，從機(jī)初始處于接收狀態(tài)，避免占用總線導(dǎo)致通信混亂。當(dāng)主機(jī)發(fā)送指令數(shù)據(jù)時(shí)，所有從機(jī)都能接收到信息，然后匹配自身地址，地址一致的從機(jī)按照主機(jī)指令執(zhí)行操作并做出應(yīng)答，其他從機(jī)靜默。從機(jī)應(yīng)答結(jié)束立即回到接收狀態(tài)釋放總線，準(zhǔn)備接收下一次信息。

RS485通信協(xié)議屬于硬件協(xié)議，軟件數(shù)據(jù)協(xié)議與異步通訊串口相同，數(shù)字信號(hào)采用A、B差分信號(hào)模式。Vb-Va>200mV時(shí)表示邏輯“1”，Vb-Va<-200mV時(shí)表示邏輯“0”[1]。差分信號(hào)能較強(qiáng)的抑制共模干擾，保證通信的可靠性。

3.接口電路設(shè)計(jì)

3.1 RS485通用接口電路

在單片機(jī)采用異步通訊串口增加MAX485芯片，即可轉(zhuǎn)換成符合RS485協(xié)議的串口，實(shí)現(xiàn)電路如下圖2所示。UART轉(zhuǎn)RS485電路直接用集成器件MAX485實(shí)現(xiàn)，在最前和最后2個(gè)終端設(shè)備上需要安裝符合電纜傳輸特性的配電阻R3（一般取值120Ω）。RS485通信屬于半雙工方式，在通信過(guò)程中需要切換發(fā)送和接收狀態(tài)。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)MAX485的使能腳置1，總線處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)要接收數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)MAX485的使能腳置0，總線處于接收狀態(tài)。初始時(shí)此電路中MAX485處于接收使能狀態(tài)，R1和R2上下拉保證A、B總線處于空閑狀態(tài)（邏輯0）。

3.2 隔離與防護(hù)

RS485總線系統(tǒng)在布線施工過(guò)程中，可能會(huì)同強(qiáng)電線路并行走線，或者在室外架空和在金屬物體上懸掛，信號(hào)線感應(yīng)到浪涌等干擾，上行會(huì)串?dāng)_MAX485或者單片機(jī)芯片，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)擊毀芯片。針對(duì)此種狀況，我們采用信號(hào)隔離和浪涌抑制的方式，對(duì)電路中敏感元件進(jìn)行保護(hù)。下圖3是我們采用的隔離防護(hù)電路。

電路中，V4、V5和V6是瞬態(tài)抑制二極管TVS，作用是泄放尖峰浪涌。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能有效保護(hù)后端電路[2]。

V1、V2和V3是光電耦合器，經(jīng)過(guò)其“電—光—電”轉(zhuǎn)換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)干擾隔離作用。光電耦合器簡(jiǎn)稱光耦，器件內(nèi)部把發(fā)光器和受光器集成封裝，以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端。它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。加載在單片機(jī)與MAX485之間的光耦隔離，保證單片機(jī)正常工作。

3.3 自動(dòng)收發(fā)

MAX485芯片帶數(shù)據(jù)發(fā)送/接收使能腳，其作用在前文有說(shuō)明。發(fā)送過(guò)程中需要不斷切換發(fā)送/接收狀態(tài)，且占用單片機(jī)口線。下圖4中電路則可以避免如此繁瑣的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收發(fā)數(shù)據(jù)。

V3是NPN型三極管，在電路中起到開關(guān)作用。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，TXD引腳置1或高組態(tài)，光耦D1截止，從而V3基級(jí)處于高電平，集電極和發(fā)射機(jī)處于導(dǎo)通狀態(tài)，MAX485使能腳因低電平處于接收狀態(tài)，總線上A上拉B下拉處于空閑等待數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TXD發(fā)送邏輯信號(hào)1導(dǎo)致光耦D1截止，V3基級(jí)處于高電平，集電極和發(fā)射極處于導(dǎo)通狀態(tài)，MAX485使能腳因低電平處于接收狀態(tài)，總線上A、B信號(hào)示由于上下拉電阻作用處于邏輯“1”狀態(tài)；TXD發(fā)送邏輯信號(hào)0，光耦D1導(dǎo)通，V3截止，MAX485使能腳上拉置“1”處于發(fā)送狀態(tài)，MAX485的TX引腳低電平，A、B線上傳送邏輯“0”信號(hào)。整個(gè)發(fā)送和接收過(guò)程無(wú)需占用單片機(jī)額外的使能口線和使能操作，只需三極管V3響應(yīng)頻率滿足通信波特率要求即可。

4結(jié)束語(yǔ)

上述RS485接口設(shè)計(jì)電路在我司變送器產(chǎn)品中已經(jīng)過(guò)使用驗(yàn)證，防護(hù)效果明顯好于傳統(tǒng)電路，可靠性得到顯著提高。在RS485通信工程應(yīng)用中，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，還需要采用合理地安裝布線方式，提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定靠可運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]Texas Instruments Application Report”422 and 485 Standards Overview and System Configuration” .June.2002.http：//www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf.

[2]張欣，李愛(ài)軍等.RS485電路的匹配和保護(hù)性設(shè)計(jì)研究[J].航空計(jì)算技術(shù).2007，5（37）：80-82.

基金項(xiàng)目：

安徽省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（16030701095）

作者簡(jiǎn)介：

計(jì)昌柱，男，就職于蚌埠依愛(ài)電子科技有限責(zé)任公司，助理工程師，研究方向：養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。