RS-485總線光電隔離中繼器的設計

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

[關鍵詞]RS-485 光電耦合隔離 中繼器

一、引言

RS-485總線是測控領域廣泛采用的一種現場總線形式，由于采用了平衡發送和差分接收的方式，可以有效地克服共模干擾，并具有較高的數據傳輸速率和傳輸距離。RS-485總線傳輸的最大距離為1200米，使用中繼器可以突破這個距離限制，擴展RS485網絡。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上采用光電耦合隔離和自動雙向切換技術，設計了一種簡單實用的RS-485總線光耦隔離中繼器。與傳統RS-485中繼器相比，本文設計的中繼器傳輸信號穩定可靠，具有防雷擊、電氣隔離傳輸信號等獨特優點，可廣泛應用于各種大型測控系統。

二、總體設計

結構上采用雙信號端對稱設計，分別稱為信號1端和信號2端，它們都可以作為發送端和接收端使用。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，對系統安全起到了防護作用。外部電源采用+5V或+9V~+24V直流電源。由于通信網絡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絡，對網絡及其設備起到了很好的保護作用。

三、工作原理與分析

1. 隔離電源與信號隔離

系統采用+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，需要將輸入電壓轉換為+5V直流電。LM2576是五端穩壓器，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的二次集成芯片，該產品具有體積小、效率高、高隔離電壓、高可靠性和低價格等顯著優點，適用于數字信號處理電路和對電壓穩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。光耦隔離器的結構相當于把發光二極管和光敏管封裝在一起，發光二極管將輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管，再由光敏管轉換為電信號輸出。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分別為數據接收端和數據發送端。

信號1端和信號2端在結構上互為對稱，因此僅就信號1端輸入數據，信號 2端輸出數據進行分析。中繼器分為空閑和數據傳輸兩種狀態，下面分別就這兩種情況分析:

(1)系統空閑:

系統上電后如果沒有數據傳輸， VCC1、VCC2分別通過R15和R21將U1_DI和U2_DI上拉至高電平，兩個光耦都處于關閉狀態， U1_RO和U2_RO都處于高電平的狀態。為了避免信號干擾產生誤動作，采用施密特觸發器對波形進行整形處理。HEF4093為四通道雙輸入施密特觸發器， U1_DI高電平信號經過施密特觸發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數據接收端也始終為高電平。

(2)數據傳輸:

RS-232或TTL串口傳輸數據時，數據格式通常是起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位。空閑時發送口為高電平，當有數據時總線由高電平跳至低電平，這個低電平就作為起始位。

當差分信號變為低電平(起始位)時，U1_RO變為低電平，U1_RO經過光耦隔離后同相輸出為U2_DI。可以看到U2_DI信號除了作為數據外又經過施密特觸發器的整形、反向后作為U2的發送控制端。由于控制信號此時為高電平，表示發送允許，故U2將U2_DI的低電平信號通過A2，B2差分輸出。

四、系統測試

采用VB語言編寫中繼器收發測試軟件，將RS-485總線光電隔離中繼器通過雙絞線將兩臺計算機相連，距離約1500m， 傳輸速率設置為19.2kbit/s， 分別在兩臺計算機上運行測試軟件。通過計算機1發送數據，設置“發送文本”為123456789， “發送次數”為100000次，點擊“發送”按鈕發送數據。在計算機2的“接受文本”框里顯示了計算機1發送過來的內容，點擊“顯示測試結果”，誤碼率為0，達到了設計要求。

五、結束語

在現場測控領域經常采用中繼器擴展RS-485網絡，但擴展的支路不能因為自身短路而導致整個網絡受到破壞。采用光耦隔離設計的中繼器能夠將任何故障只限制在擴展的支路內，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。經過實際測試，該中繼器傳輸信號穩定可靠，傳輸距離和傳輸速度得到很大地提高，因而具有廣泛的應用價值。