[摘 要]介紹了RS-485總線光電隔離中繼器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)中繼器相比， 電路融合了光電耦合隔離技術(shù)和自動切換技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

[關(guān)鍵詞]RS-485 光電耦合隔離 中繼器

一、引言

RS-485總線是測控領(lǐng)域廣泛采用的一種現(xiàn)場總線形式，由于采用了平衡發(fā)送和差分接收的方式，可以有效地克服共模干擾，并具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。RS-485總線傳輸?shù)淖畲缶嚯x為1200米，使用中繼器可以突破這個距離限制，擴(kuò)展RS485網(wǎng)絡(luò)。本文通過對常用RS-485總線接口器件MAX3471工作原理深入分析的基礎(chǔ)上采用光電耦合隔離和自動雙向切換技術(shù)，設(shè)計了一種簡單實用的RS-485總線光耦隔離中繼器。與傳統(tǒng)RS-485中繼器相比，本文設(shè)計的中繼器傳輸信號穩(wěn)定可靠，具有防雷擊、電氣隔離傳輸信號等獨特優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種大型測控系統(tǒng)。

二、總體設(shè)計

結(jié)構(gòu)上采用雙信號端對稱設(shè)計，分別稱為信號1端和信號2端，它們都可以作為發(fā)送端和接收端使用。由于RS-485采用半雙工方式，同一時刻只允許一個作為發(fā)送端，另一個作為接收端。光耦隔離芯片是信號端之間的傳輸媒介，隔離前后的信號擺脫了電氣連接，對系統(tǒng)安全起到了防護(hù)作用。外部電源采用+5V或+9V~+24V直流電源。由于通信網(wǎng)絡(luò)各點地相位差異較大，采用隔離電源分別給信號端供電，使得信號1端GND、信號2端GND和電源端GND三者之間相互隔離，這樣即使在某一端短路的情況下也不會危及整個網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用。

三、工作原理與分析

1. 隔離電源與信號隔離

系統(tǒng)采用+5V直流電源直接供電或+9~+24V的直流電源供電。采用+9~+24V直流電源供電時，需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V直流電。LM2576是五端穩(wěn)壓器，五個端口分別是輸入端、輸出端，使能端(低電平有效)，反饋端和地端。按典型電路輸入+9~+24V直流電，將從輸出端將得到+5V直流電。

5V直流電通過隔離電源芯片U8和U9后得到兩個與輸入相隔離的電源VCC1和VCC2，分別給兩個光耦供電。隔離電源芯片采用了耀華電子生產(chǎn)的二次集成芯片，該產(chǎn)品具有體積小、效率高、高隔離電壓、高可靠性和低價格等顯著優(yōu)點，適用于數(shù)字信號處理電路和對電壓穩(wěn)定度要求不高的模擬電路，特別適用于分布式電源供電系統(tǒng)及使用小功率電源供電。

信號隔離采用了光耦隔離方式。光耦隔離器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏管封裝在一起，發(fā)光二極管將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳給光敏管，再由光敏管轉(zhuǎn)換為電信號輸出。由于沒有直接的電氣連接，既耦合傳輸了信號，又具有隔離作用。

2. 中繼器工作原理

中繼器的核心為中繼器收發(fā)芯片，這里選用了MAX3471。它采用8管腳封裝，其中 為接收控制端，低電平有效;DE為發(fā)送控制端，高電平有效。將 和DE連接在一起，可以保證芯片任一時刻只工作于一種模式。RO和DI分別為數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)發(fā)送端。

信號1端和信號2端在結(jié)構(gòu)上互為對稱，因此僅就信號1端輸入數(shù)據(jù)，信號 2端輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。中繼器分為空閑和數(shù)據(jù)傳輸兩種狀態(tài)，下面分別就這兩種情況分析:

(1)系統(tǒng)空閑:

系統(tǒng)上電后如果沒有數(shù)據(jù)傳輸， VCC1、VCC2分別通過R15和R21將U1_DI和U2_DI上拉至高電平，兩個光耦都處于關(guān)閉狀態(tài)， U1_RO和U2_RO都處于高電平的狀態(tài)。為了避免信號干擾產(chǎn)生誤動作，采用施密特觸發(fā)器對波形進(jìn)行整形處理。HEF4093為四通道雙輸入施密特觸發(fā)器， U1_DI高電平信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器的整形和反向后得到一個低電平信號，將該信號接至U1的 和DE端表示允許接收。

因此總線上若為空閑，受上拉和下拉電路的影響，差分信號為高電平，RO數(shù)據(jù)接收端也始終為高電平。

(2)數(shù)據(jù)傳輸:

RS-232或TTL串口傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)格式通常是起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。空閑時發(fā)送口為高電平，當(dāng)有數(shù)據(jù)時總線由高電平跳至低電平，這個低電平就作為起始位。

當(dāng)差分信號變?yōu)榈碗娖?起始位)時，U1_RO變?yōu)榈碗娖?，U1_RO經(jīng)過光耦隔離后同相輸出為U2_DI?？梢钥吹経2_DI信號除了作為數(shù)據(jù)外又經(jīng)過施密特觸發(fā)器的整形、反向后作為U2的發(fā)送控制端。由于控制信號此時為高電平，表示發(fā)送允許，故U2將U2_DI的低電平信號通過A2，B2差分輸出。

四、系統(tǒng)測試

采用VB語言編寫中繼器收發(fā)測試軟件，將RS-485總線光電隔離中繼器通過雙絞線將兩臺計算機(jī)相連，距離約1500m， 傳輸速率設(shè)置為19.2kbit/s， 分別在兩臺計算機(jī)上運行測試軟件。通過計算機(jī)1發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置“發(fā)送文本”為123456789， “發(fā)送次數(shù)”為100000次，點擊“發(fā)送”按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)。在計算機(jī)2的“接受文本”框里顯示了計算機(jī)1發(fā)送過來的內(nèi)容，點擊“顯示測試結(jié)果”，誤碼率為0，達(dá)到了設(shè)計要求。

五、結(jié)束語

在現(xiàn)場測控領(lǐng)域經(jīng)常采用中繼器擴(kuò)展RS-485網(wǎng)絡(luò)，但擴(kuò)展的支路不能因為自身短路而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)受到破壞。采用光耦隔離設(shè)計的中繼器能夠?qū)⑷魏喂收现幌拗圃跀U(kuò)展的支路內(nèi)，很好地解決了這個問題。同時也便于在故障時及時確定故障地點。經(jīng)過實際測試，該中繼器傳輸信號穩(wěn)定可靠，傳輸距離和傳輸速度得到很大地提高，因而具有廣泛的應(yīng)用價值。