RS485/422磁隔離技術(shù)與應(yīng)用設(shè)計(jì)

李白萍， 張毅龍

(西安科技大學(xué) 通信與信息系統(tǒng)學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化程度的迅速發(fā)展，一些簡(jiǎn)單易用的串行通信方式作為數(shù)據(jù)交換的手段被廣泛采用。由EIA(Electronic Industries Association，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì))制定并發(fā)布的RS485接口標(biāo)準(zhǔn)已成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。主要是因?yàn)镽S485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具有傳輸線成本低、抗共模干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、布線方便等特點(diǎn)。

RS485/422接口電路可以分為隔離型與非隔離型。由于在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中分散控制單元數(shù)量較多，加上現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，軟硬件設(shè)計(jì)的不完善，故非隔離型RS485/422接口電路無法保證總線通信的可靠性。且在多機(jī)通信方式下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的通信框架崩潰，給故障排查帶來困難。解決此類問題的方案就是設(shè)計(jì)隔離型RS485/422接口電路。

1 隔離技術(shù)

隔離是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一，目前主要采用的隔離技術(shù)包括光電隔離、磁隔離、電氣(電容)隔離等技術(shù)。本文主要分析光電隔離和iCoupler磁隔離。

1.1 光電隔離

光電隔離器是以光為媒介來傳播電信號(hào)，它是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)、光敏感器件(如光敏半導(dǎo)體管)和信號(hào)放大器集成在一起來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸入電信號(hào)時(shí)可驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件發(fā)光，光探測(cè)器接收到光線之后產(chǎn)生光電流，再經(jīng)信號(hào)放大后輸出，從而實(shí)現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換。因其是以光為媒介來進(jìn)行信號(hào)的傳輸，在電氣上沒有直接相連，所以達(dá)到了在電氣上的隔離作用[1]。

光電耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上，同時(shí)光電耦合器的隔離阻抗會(huì)隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也就隨之降低。

1.2 iCoupler磁隔離

iCoupler磁隔離技術(shù)是由美國(guó)ADI(Analog Devices Inc)公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一項(xiàng)適合高壓環(huán)境的隔離電路專利技術(shù)，而非傳統(tǒng)的基于發(fā)光器件與光敏感器件的結(jié)合。其核心原理是采用芯片級(jí)尺寸脈沖變壓器耦合技術(shù)，當(dāng)一個(gè)信號(hào)輸入之后，會(huì)首先經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形，再經(jīng)過編碼電路，之后才是脈沖變壓器耦合，最后經(jīng)過解碼電路與施密特觸發(fā)器輸出。此外，在電路的輸入端還有一個(gè)刷新電路可以保證即使在沒有跳變信號(hào)輸入的情況下，輸出狀態(tài)也能與輸入的狀態(tài)保持一致[2]。

iCoupler數(shù)字隔離器利用了平面磁場(chǎng)專利技術(shù)，并集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，不再需要外部驅(qū)動(dòng)器或分立元件，因此在功耗、體積、集成度、速度等各方面都優(yōu)于光電耦合。而且能滿足電源以及其它高隔離度環(huán)境下的隔離要求，非常適合在各種工業(yè)上的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、總線隔離以及其它多通道隔離等[2]。

2 傳統(tǒng)RS485/422接口隔離電路

傳統(tǒng)RS485/422接口隔離電路所采用的主要是光電隔離技術(shù)，其接口電路是由2或3個(gè)快速光電隔離器、RS485/422收發(fā)器件以及電源隔離模塊等組成，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)半雙工RS485/422接口隔離電路

圖中以光電隔離器TLP521-1Y為例來說明傳統(tǒng)RS485/422接口隔離電路，它是一種高速晶體管輸出光電隔離器，具有較強(qiáng)的傳輸效率和抗干擾能力。VCC與VCC485是兩組不共地的電源，通常采用隔離型DC-DC來實(shí)現(xiàn)；通過光電隔離器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，且ADM487與MCU系統(tǒng)不共地。此電路可有效抑制高共模電壓的產(chǎn)生，降低ADM487的損壞率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)RS485/422接口隔離電路的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，隔離效果較好。但其缺點(diǎn)是所用的器件較多，占用PCB面積大，電路繁瑣。再加上光電耦合器在傳輸速率、功耗以及LED老化上受到限制，故對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3 ADM2587E芯片

ADM2587E是ADI推出的集成了iCoupler數(shù)字隔離的隔離型RS485/422收發(fā)器，具備±15 kV ESD保護(hù)功能，適合于多點(diǎn)傳輸線路上的高速通信應(yīng)用。它在單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)差分輸入接收機(jī)和一個(gè)采用isoPower技術(shù)的DC-DC隔離電源轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

采用iCoupler專利技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字隔離器，不僅直接在芯片上制造iCoupler變壓器，而且還在芯片的輸入/輸出集成了施密特觸發(fā)器、譯/解碼電路、校正與看門狗電路，如圖3所示。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入到iCoupler器件后，首先會(huì)經(jīng)過一個(gè)施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波整形，然后經(jīng)譯碼電路將信號(hào)變成脈沖信號(hào)，經(jīng)過脈沖變壓器耦合之后，再進(jìn)入解碼電路還原波形，最后再經(jīng)過一個(gè)施密特觸發(fā)器濾波整形，輸出理想方波。而校正與看門狗電路保證器件可以工作在低速率和直流信號(hào)的狀態(tài)下[2]。

ADM2587E的其它特色功能：1)隔離式RS485/RS422收發(fā)器，可配置為全雙工或半雙工；2)集成isoPower的隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器，無需外加DC-DC電源；3)通訊速率500 kb/s，可完全支持115 200波特率；4)具有開路、短路及故障保護(hù)功能；5)具有熱關(guān)斷保護(hù)功能[3]。

圖2 ADM2587E功能框圖

4 磁隔離型RS485/422接口電路設(shè)計(jì)

圖3 ADuM磁隔離原理

本方案采用ADM2587E單芯片來實(shí)現(xiàn)RS485/422接口的完全隔離。ADM2587E帶有RE/DE使能控制引腳，故支持半雙工和全雙工RS485/422接口隔離。其電路分別如圖4和圖5所示。

圖4 半雙工RS485/422接口隔離電路 圖5 全雙工RS485/422接口隔離電路

從圖4與圖5中可以看出，通過控制使能引腳RE/DE及A、B、Z、Y就可實(shí)現(xiàn)半雙工或全雙工通信。圖中GND1是隔離側(cè)地，這4個(gè)地在芯片內(nèi)部是連接的，但在實(shí)際使用中最好在外部做物理連接，這樣隔離效果更好；GND2是總線端地，同樣推薦外部連接。VCC是隔離側(cè)電源，由于在ADM2587E內(nèi)部集成了采用isoPower技術(shù)的DC-DC隔離電源轉(zhuǎn)換器，故只需單電源即可在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)隔離側(cè)與總線端的隔離供電。并且由于內(nèi)部DC-DC屬于高頻器件，所以輸入輸出電源旁必須要加旁路電容進(jìn)行濾波，通常情況下在每路輸入輸出電源旁加0.1 μF與10 μF的電容，如圖中C1—C8所示。VISOOUT引腳是ADM2587E內(nèi)部隔離電源的輸出引腳，而VISOIN引腳是內(nèi)部集成RS485/422收發(fā)器的電源輸入引腳，在正常使用時(shí)外部必須連接起來給總線端供電[4]。

與傳統(tǒng)的光耦隔離電路相比，本隔離電路最明顯的優(yōu)勢(shì)就是只需一片ADM2587E芯片就可完全解決RS485/422接口隔離問題，而且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使得PCB節(jié)省60%～70%左右。其次，ADM2587E芯片所采用的磁隔離技術(shù)是基于芯片級(jí)變壓器傳輸原理，信號(hào)傳輸時(shí)幾乎不存在能量損耗，能以極低的功耗實(shí)現(xiàn)150 Mbps的高速數(shù)據(jù)隔離，而光電隔離鮮有如此高的傳輸速率。相同速率下，其功耗僅為光電隔離的1/10～1/6。最后iCoupler磁隔離消除了與光耦合器相關(guān)的不確定電流傳送比率、非線性傳送特性以及隨時(shí)間漂移和隨溫度漂移問題，且其內(nèi)部含有施密特電路，能夠?qū)斎胼敵龅碾娐窞V波整形，可直接與各種高速控制芯片連接[3]。

5 結(jié)束語

在工業(yè)控制及遠(yuǎn)距離設(shè)備間通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性常會(huì)受到干擾及傳輸距離的影響，本文所提出的基于ADM2587E芯片的RS485/422隔離型接口電路設(shè)計(jì)不僅更有效地抑制了干擾，而且較傳統(tǒng)的光耦隔離有著明顯的優(yōu)勢(shì)，非常適合于工業(yè)、電力等惡劣通信環(huán)境中的RS485/422接口隔離應(yīng)用。磁隔離取代光電隔離已然成為一種趨勢(shì)，將會(huì)被越來越多的產(chǎn)品所使用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙艷春.談電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008(23):224-225.

[2] Analog Devices Inc.ADM2582E/ADM2587E Datasheet[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/zh/interface/Ivds/adm2587e/product.html,2009.

[3] Analog Devices Inc.Signal and Power Isolated RS-485 Transceiver with ±15 kV ESD Protection[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADM2582E_2587E.pdf,2011.

[4] HEIN Marais.RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/static/importedfiles/application_notes/AN-960.pdf,2011.