波特率自適應(yīng)RS—485中繼器的設(shè)計

周德君

摘要：RS4-85通訊在工業(yè)控制及自動化儀表中被廣泛采用，它具有電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)只能以總線型進(jìn)行布線，網(wǎng)絡(luò)不能出現(xiàn)分支，因此對實際布線設(shè)計及施工造成很大難度。本文介紹了一款波特率自適應(yīng)RS-485總線中繼器電路，該電路可以實現(xiàn)總線隔離、分支、擴(kuò)展等功能，有效改善了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高可靠性及適應(yīng)能力，為工程施工帶來極大的便利。

關(guān)鍵詞：SP485接口芯片 電氣隔離 光耦 浪涌抑制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0179-01

RS-485標(biāo)準(zhǔn)是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）和通訊工業(yè)協(xié)會（TIA）兩個行業(yè)協(xié)會共同開發(fā)和制訂的。RS-485總線作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范規(guī)，已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。485通信接口允許在一對雙絞線上實現(xiàn)主從結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)雙向通信，即一個主站，若干個從站[1]。它具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。因此，許多領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。如工業(yè)控制、智能儀表、智能樓宇等。RS-485總線采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用一條連續(xù)的通訊總線將各個節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來?？偩€上的每個引出節(jié)點(diǎn)分支電纜長度應(yīng)盡可能的縮短，以降低分支電纜的反射信號對總線的影響。采用485分支器可以將總線連接變?yōu)樾切芜B接，消除分支電纜信號反射對總線的影響，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本分支器電路主要由485接口芯片、光耦、防浪涌電路、隔離電源及相關(guān)的阻容元件構(gòu)成。該電路可以自動識別并切換總線數(shù)據(jù)流方向，自動適應(yīng)總線波特率的變化，同時還具有電氣隔離和防雷防浪涌的功能。

1 485接口芯片

485接口芯片采用Sipex公司增強(qiáng)型低功耗半雙工SP485芯片[2]。SP485滿足RS-485和RS-422規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Mbps。SP485采用SOIC8及PDIP8兩種封裝形式，圖1為SP485的引腳配置圖。1#腳RO為接收器輸出，2#腳/RE為接收器使能端，3#腳DE為發(fā)送器使能端，4#腳為發(fā)送器輸入，5#腳為GND，6#腳為同相發(fā)送器輸出/接收器輸入，7#腳為反相發(fā)送器輸出/接收器輸入，8#腳為VCC。

2 電路原理

電路原理見圖2，U1、U4為485接口芯片，U2、U3為光耦，R1、R10和R2、R9分別為總線上拉及下拉電阻。圖中U1、U4收發(fā)使能端短接，分別通過光耦受總線另一側(cè)的芯片的輸出端控制。R4、R8為接收器輸出下拉電阻、R5、R7為輸出限流電阻，電容C1、C2為接收器RO輸出端的抗干擾電容。

當(dāng)總線電平A1大于B1 0.2V時，U1的RO端輸出為高電平，光耦U3輸出端截止，U4的收發(fā)使能端DE、/RE通過電阻R6下拉接地。此時U4的接收端處于接收狀態(tài)，驅(qū)動器輸出為高阻態(tài)。由于電阻R9、R10的作用，使的總線電平A2大于B2。

當(dāng)總線電平為A1小于B1 0.2V時，U1的RO端輸出為低電平，光耦U3輸出端導(dǎo)通，U4的收發(fā)使能端DE、/RE拉為高電平。此時U4的接收端處于高阻狀態(tài)，驅(qū)動器輸出有效。由于數(shù)據(jù)輸入端DI接地，驅(qū)動器輸出A低，B高，總線上的電平A2小于B2。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，總線接口A、B端上拉電阻及下拉電阻的作用使得RS-485芯片自動回到接收狀態(tài)，無論總線哪一側(cè)來數(shù)據(jù)均可自動響應(yīng)。由于RS-485芯片接收和發(fā)送使能控制信號均由總線通訊數(shù)據(jù)本身自動產(chǎn)生，不需要額外的控制電路及延時電路，數(shù)據(jù)流向自動切換，數(shù)據(jù)通訊實時透明傳輸，不受總線波特率變化的影響。

3 保護(hù)電路

采用光耦等形式的電氣隔離雖然能有效的抑制共模干擾，但對于總線上的浪涌電流、通訊線與電源短路、雷擊等潛在危害，所以本電路的總線端采取一定的保護(hù)措施。

R11、R12、R13、R14為PTC保護(hù)限流電阻，通常阻值不大于10Ω?？偩€兩側(cè)A、B通過TD1-TD4為TVS浪涌電流抑制器[3]接地，TVS也可以用相應(yīng)電壓等級的穩(wěn)壓二極管代替。PTC電阻也可以用自恢復(fù)保險絲代替。根據(jù)需要也可以增加防雷管。但過多的增加保護(hù)元件會增加總線A、B兩端的線間電容，造成信號波形畸變，影響整個總線負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)與通信穩(wěn)定性。

4 電源電路

電源電路采用了集成穩(wěn)壓隔離電源模塊，省下電源系統(tǒng)的開發(fā)時間，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期。圖3為電源電路原理圖。圖中D1為防反接二極管，避免電源反接造成器件損壞，C3、C4、C9為濾波電容。C5、C6、C7、C8為抗干擾電容，可以有效的降低電源線上共模電壓的干擾，提高電源系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

采用中繼器的RS-485網(wǎng)絡(luò)可以徹底改善總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制， 優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了通訊驅(qū)動能力，延長了傳輸距離。隔離型中繼器還可以有效的消除總線上的共模電壓的干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力，避免某一通訊節(jié)點(diǎn)損壞影響到整個網(wǎng)絡(luò)的情況。

參考文獻(xiàn)

[1]汪獻(xiàn)忠，劉巍，呂運(yùn)鵬.基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)智能通訊模塊的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（6）：47-49 .

[2]SP481R/SP485R Data Sheet[Z].SIPEX Integerated Products.

[3]張金豪.TBU在RS485通訊防雷中的運(yùn)用[J].煤礦安全，2013（2）：117-118.