RS-485总线光电隔离中继器的设计

[摘 要]介绍了RS-485总线光电隔离中继器的设计原理和实现方法。与传统中继器相比, 电路融合了光电耦合隔离技术和自动切换技术,极大地提高了系统的安全性和可靠性。

[关键词]RS-485 光电耦合隔离 中继器

一、引言

RS-485总线是测控领域广泛采用的一种现场总线形式,由于采用了平衡发送和差分接收的方式,可以有效地克服共模干扰,并具有较高的数据传输速率和传输距离。RS-485总线传输的最大距离为1200米,使用中继器可以突破这个距离限制,扩展RS485网络。本文通过对常用RS-485总线接口器件MAX3471工作原理深入分析的基础上采用光电耦合隔离和自动双向切换技术,设计了一种简单实用的RS-485总线光耦隔离中继器。与传统RS-485中继器相比,本文设计的中继器传输信号稳定可靠,具有防雷击、电气隔离传输信号等独特优点,可广泛应用于各种大型测控系统。

二、总体设计

结构上采用双信号端对称设计,分别称为信号1端和信号2端,它们都可以作为发送端和接收端使用。由于RS-485采用半双工方式,同一时刻只允许一个作为发送端,另一个作为接收端。光耦隔离芯片是信号端之间的传输媒介,隔离前后的信号摆脱了电气连接,对系统安全起到了防护作用。外部电源采用+5V或+9V~+24V直流电源。由于通信网络各点地相位差异较大,采用隔离电源分别给信号端供电,使得信号1端GND、信号2端GND和电源端GND三者之间相互隔离,这样即使在某一端短路的情况下也不会危及整个网络,对网络及其设备起到了很好的保护作用。

三、工作原理与分析

1. 隔离电源与信号隔离

系统采用+5V直流电源直接供电或+9~+24V的直流电源供电。采用+9~+24V直流电源供电时,需要将输入电压转换为+5V直流电。LM2576是五端稳压器,五个端口分别是输入端、输出端,使能端(低电平有效),反馈端和地端。按典型电路输入+9~+24V直流电,将从输出端将得到+5V直流电。

5V直流电通过隔离电源芯片U8和U9后得到两个与输入相隔离的电源VCC1和VCC2,分别给两个光耦供电。隔离电源芯片采用了耀华电子生产的二次集成芯片,该产品具有体积小、效率高、高隔离电压、高可靠性和低价格等显著优点,适用于数字信号处理电路和对电压稳定度要求不高的模拟电路,特别适用于分布式电源供电系统及使用小功率电源供电。

信号隔离采用了光耦隔离方式。光耦隔离器的结构相当于把发光二极管和光敏管封装在一起,发光二极管将输入的电信号转换为光信号传给光敏管,再由光敏管转换为电信号输出。由于没有直接的电气连接,既耦合传输了信号,又具有隔离作用。

2. 中继器工作原理

中继器的核心为中继器收发芯片,这里选用了MAX3471。它采用8管脚封装,其中 为接收控制端,低电平有效;DE为发送控制端,高电平有效。将 和DE连接在一起,可以保证芯片任一时刻只工作于一种模式。RO和DI分别为数据接收端和数据发送端。

信号1端和信号2端在结构上互为对称,因此仅就信号1端输入数据,信号 2端输出数据进行分析。中继器分为空闲和数据传输两种状态,下面分别就这两种情况分析:

(1)系统空闲:

系统上电后如果没有数据传输, VCC1、VCC2分别通过R15和R21将U1_DI和U2_DI上拉至高电平,两个光耦都处于关闭状态, U1_RO和U2_RO都处于高电平的状态。为了避免信号干扰产生误动作,采用施密特触发器对波形进行整形处理。HEF4093为四通道双输入施密特触发器, U1_DI高电平信号经过施密特触发器的整形和反向后得到一个低电平信号,将该信号接至U1的 和DE端表示允许接收。

因此总线上若为空闲,受上拉和下拉电路的影响,差分信号为高电平,RO数据接收端也始终为高电平。

(2)数据传输:

RS-232或TTL串口传输数据时,数据格式通常是起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。空闲时发送口为高电平,当有数据时总线由高电平跳至低电平,这个低电平就作为起始位。

当差分信号变为低电平(起始位)时,U1_RO变为低电平,U1_RO经过光耦隔离后同相输出为U2_DI。可以看到U2_DI信号除了作为数据外又经过施密特触发器的整形、反向后作为U2的发送控制端。由于控制信号此时为高电平,表示发送允许,故U2将U2_DI的低电平信号通过A2,B2差分输出。

四、系统测试

采用VB语言编写中继器收发测试软件,将RS-485总线光电隔离中继器通过双绞线将两台计算机相连,距离约1500m, 传输速率设置为19.2kbit/s, 分别在两台计算机上运行测试软件。通过计算机1发送数据,设置“发送文本”为123456789, “发送次数”为100000次,点击“发送”按钮发送数据。在计算机2的“接受文本”框里显示了计算机1发送过来的内容,点击“显示测试结果”,误码率为0,达到了设计要求。

五、结束语

在现场测控领域经常采用中继器扩展RS-485网络,但扩展的支路不能因为自身短路而导致整个网络受到破坏。采用光耦隔离设计的中继器能够将任何故障只限制在扩展的支路内,很好地解决了这个问题。同时也便于在故障时及时确定故障地点。经过实际测试,该中继器传输信号稳定可靠,传输距离和传输速度得到很大地提高,因而具有广泛的应用价值。