基于磁耦隔離和硬件零延時(shí)技術(shù)的RS485總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

引言

在工業(yè)控制設(shè)備之間中長距離通信的諸多方案中，RS485總線因其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動(dòng)測(cè)控等領(lǐng)域。RS485總線采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)之間的通信是以一對(duì)雙絞線作為傳輸介質(zhì)。與RS232接口相比，RS485總線的傳輸距離更長、抗干擾能力也更強(qiáng)。RS485總線具有以下一些特點(diǎn)：

①接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器，抗共模干擾能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

②收發(fā)器輸出A、B之間的電平為+2～+6 V，是邏輯“1”；為－6～－2 V，是邏輯“0”。信號(hào)電平比RS232降低了，不易損壞接口芯片。另有“使能”控制信號(hào)，可使收發(fā)器處于高阻狀態(tài)，切斷與傳輸線的連接。

③接收器的輸入靈敏度為200 mV。即在當(dāng)收端VA－VB》+200 mV時(shí)，輸出為邏輯“0”；VA－VB＜－200 mV時(shí)，輸出為邏輯“1”。

④最高傳輸速率為10 Mbps，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1 200 m。

⑤在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)、配置120 Ω終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出1．5 V電壓（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）。

⑥具有多站點(diǎn)傳輸能力，即總線上允許掛接多個(gè)收發(fā)器，可建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

在傳統(tǒng)的RS485總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文基于ADI公司推出的帶隔離的增強(qiáng)型RS485收發(fā)器AD－uM2483，采用磁耦隔離和硬件零延時(shí)技術(shù)所設(shè)計(jì)的RS485總線節(jié)點(diǎn)，具有良好的抗干擾性和較高的通信速率，可應(yīng)用在一些環(huán)境比較復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)合。

1 設(shè)計(jì)思想

RS485總線節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)STC12C5410AD、帶隔離的RS485收發(fā)器ADuM2483、高速三極管等組成。其中，ADuM2483的應(yīng)用圖如圖1所示。STC12C5410AD是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，是高速／低功耗／超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。其內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、4路PWM、通用全雙工異步串行口（UART），可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口；8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，高抗靜電（ESD保護(hù)），特別適用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

在情況比較復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)中，各節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS485總線采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過其極限接收電壓時(shí)，RS485收發(fā)器就無法工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。因此，為了適應(yīng)強(qiáng)干擾環(huán)境甚至更苛刻的性能要求，必須對(duì)RS485總線各節(jié)點(diǎn)實(shí)行電氣隔離。

傳統(tǒng)的RS485隔離總線節(jié)點(diǎn)是由光電耦合器和RS485總線收發(fā)器（如MAX485）構(gòu)成，使用光束來隔離和保護(hù)檢測(cè)電路，在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個(gè)安全接口。目前，一般使用6N137光電隔離器件，用MAX485作為RS485總線收發(fā)器。Toshiba公司的6N137工作電壓為5V，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps，工作溫度一般為0～70℃；隔離電壓為2 500 V（有效值），以DIP8封裝，每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道，體積大，穩(wěn)定性差，功耗高，LED易老化。這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應(yīng)用。本文選用ADI公司的ADuM2483。它是一款帶隔離的RS485收發(fā)器和一個(gè)3通道的數(shù)字隔離器，是目前性價(jià)比很高的RS485收發(fā)器，功能上相當(dāng)于1個(gè)MAX485和3個(gè)6N137光耦隔離器，可滿足RS485總線節(jié)點(diǎn)的要求。

2 ADuM2483簡(jiǎn)介

ADuM2483采用的iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合。這種技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程，并且采用iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，從而實(shí)現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢(shì)。由于使用晶片級(jí)制造工藝直接在芯片上制造iCoupler變壓器，所以iCoupler通道比光電耦合器更為有效地實(shí)現(xiàn)通道之間的集成，也更容易地實(shí)現(xiàn)其他半導(dǎo)體功能。

iCoupler數(shù)字隔離器無需驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，功耗僅為光電耦合器的1／10～1／50。這種新的基于電磁的隔離方法，在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光電耦合器。iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本、小體積的SOIC封裝。另外，iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，因此非常適合于各種工業(yè)上的應(yīng)用（包括數(shù)據(jù)通道、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，以及其他多通道隔離應(yīng)用）。

ADuM2483包括1個(gè)3通道隔離器、1個(gè)帶三態(tài)輸出的差分驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)帶三態(tài)輸入的差分接收器。其1／8單位負(fù)載的接收器輸入阻抗允許多達(dá)256個(gè)收發(fā)器接入總線，最高傳輸速率可達(dá)500 kbps；邏輯端兼容3 V／5 V工作電源，總線端5 V供電。

ADuM2483采用限擺率驅(qū)動(dòng)器，較低擺率降低了不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼。其接收輸入具有真正的失效保護(hù)功能，當(dāng)接收器輸入為開路、短路、或空閑時(shí)，真正的失效保護(hù)可使接收器的輸出邏輯變高。在上電過程中或接入一個(gè)已上電的底板時(shí)，其熱插拔回路可消除由于對(duì)使能和差分接收器輸入端的擾動(dòng)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。ADuM2483的驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷保護(hù)電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。芯片封裝采用易于使用的SOW16封裝，工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)無需任何分立元件就可實(shí)現(xiàn)RS485功能。其主要特點(diǎn)如下：

◆傳輸速率高，最高可達(dá)500 kbps；

◆帶載能力強(qiáng)，總線上最多可以掛接256個(gè)節(jié)點(diǎn)；

◆具有±2 kV的ESD保護(hù)功能和熱關(guān)斷保護(hù)功能；

◆工業(yè)級(jí)溫度范圍為－40～+85℃；

◆瞬態(tài)高共模抑制能力，真正防故障裝置的接收輸入端；

◆低功耗，最大2．5 mA的工作電流；

◆體積更小，集成度高，大大減小了印制電路板的面積。

3 RS485總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ADuM2483所隔離的兩端有各自的電源和參考地。其中，邏輯端電壓為2．7～5．5 V，可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗；總線端5 V供電，本文設(shè)計(jì)的接口電路的邏輯端電壓采用5 V供電。電源和參考地之間需接入0．1μF龜容，以濾除高頻干擾。需要注意的是：圖中，GND1與GND2是2個(gè)不同的參考地，否則將達(dá)不到隔離的效果。

ADuM2483獨(dú)具的PV（Power－Valid）電源監(jiān)控功能，可根據(jù)供電電源的穩(wěn)定情況而開斷芯片工作。為了避免GND1緩慢上電／掉電 （》100 μs／V）引起的A、B輸出抖動(dòng)情況，ADuM2483設(shè)計(jì)了PV引腳。當(dāng)電平低于2．0 V時(shí)，此引腳為低，芯片不工作；高于2．3 V時(shí)，此引腳為高，芯片正常工作。D1與D2用來防止總線上的瞬變干擾。RS485總線接口電路如圖2所示。

采用金升陽公司的B0505S隔離模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)器兩端電源與地完全隔離。其隔離電路如圖3所示。

4 RS485總線零延時(shí)收發(fā)的實(shí)現(xiàn)

在RS485總線節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)中，一般要將收發(fā)器的接收允許（RE）和發(fā)送允許（DE）兩個(gè)引腳短接，由一根信號(hào)線來控制收發(fā)的切換。在控制電路中，一般用單片機(jī)I／O引腳來控制RS485收發(fā)器的收發(fā)轉(zhuǎn)換，這樣就需要由軟件來控制單片機(jī)I／O引腳的電平，以達(dá)到控制RS485收發(fā)轉(zhuǎn)換的目的。RS485 收發(fā)器通常處于接收狀態(tài)，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由程序控制RE／DE變?yōu)楦唠娖剑型ㄐ艈卧l(fā)送數(shù)據(jù)；等待發(fā)送完畢后，程序再將RS485收發(fā)器轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。發(fā)送完畢的標(biāo)志一般由串行通信的特定寄存器提供狀態(tài)指示，再由程序去查詢。這樣造成RS485通信存在以下問題：

◆在想要發(fā)送數(shù)據(jù)和真正能發(fā)送數(shù)據(jù)之間，存在一定的延時(shí)；

◆如果發(fā)送到接收的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)不當(dāng)，則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失；

◆在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間，容易引入干擾，收到多余的雜亂數(shù)據(jù)。

在設(shè)計(jì)RS485總線接口電路時(shí)充分考慮到了總線的延時(shí)問題，應(yīng)用一個(gè)高速的NPN三極管控制實(shí)現(xiàn)RS485總線的零延時(shí)收發(fā)，如圖2所示。

不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，邏輯端TXD信號(hào)為高電平。此時(shí)Q1導(dǎo)通，使RE／DE信號(hào)線上為低電平，ADuM2483接收允許。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若TXD為低電平，Q1 關(guān)斷，從而使RE／DE信號(hào)線上為高電平，發(fā)送允許，ADuM2483的輸出端A、B上產(chǎn)生表示低電平的差分信號(hào)。當(dāng)TXD為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，使 RE／DE信號(hào)線上為低電平，ADuM2483的A、B端處于高阻態(tài)。此時(shí)靠電阻R1和R2的上拉和下拉作用，使總線上產(chǎn)生正的差分信號(hào)，從而將TXD的高電平信號(hào)送出。

由以上分析看出，在使用這個(gè)電路時(shí)，只要程序能保證不同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送的操作，即保證是半雙工傳送數(shù)據(jù)，則不必用軟件控制RE／DE進(jìn)行接收和發(fā)送的轉(zhuǎn)換，可由硬件本身完成，從而提高了RS485總線接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的高速率和高可靠性。

結(jié)語

本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用新型集成隔離電路的RS485總線收發(fā)器ADuM2483，降低了系統(tǒng)的功耗，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用硬件的零延時(shí)技術(shù)提高了節(jié)點(diǎn)的收發(fā)效率，提高了系統(tǒng)性能。經(jīng)測(cè)試，效果良好，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合的應(yīng)用。
責(zé)任編輯；zl