工業RS485與USB2.0接口轉換電路剖析

鄔如梁

【摘要】現今社會不斷進步，計算機技術不斷發展，計算機外圍接口由串聯模式逐漸轉變為USB2.0接口模式，這種接口模式具有很大的優勢，現今工業生產中主要應用的接口是RS485接口。將USB2.0接口轉化為RS485接口，將會為工業生產帶來很大的方便，這種電路在工業現場中使用，必須要有超強的抗干擾能力。本文主要對USB2.0向RS485接口轉換的電路進行相應的分析，并且提出了相應設計。

【關鍵詞】工業RS485接口;USB2.0接口;轉換電路;分析

1.前言

現今計算機技術飛速發展，USB2.0接口已經逐漸的取代低速度的外圍接口，因此數據傳輸的速度逐漸加快。但是在工業生產的領域中，工業產品技術發展的十分緩慢，在工業現場中主要是利用RS485接口，很多程序都需要利用計算機來實現，都是通過計算機軟件來實現的，所以設計出將USB接口轉換為RS485接口，可以給用戶帶來很大的便利。

2.USB2.0到RS485接口轉換的研究設計

通用異步收發傳輸器（Universal Asynch-ronous Receiver/Transmitter），稱為UART，是一種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式系統領域中，UART具有操作簡單，工作可靠，抗干擾能力強，因此相關的工作人員都認為UART是最為適合數據傳輸的電路。對于USB向RS485轉換的電路的設計，主要可以分為兩個重要的部分：USB接口轉換UART接口與UART轉換RS485接口。

2.1 USB接口芯片的設計

在對USB接口芯片進行選擇時，主要取決于執行功能以及設計的難易度，USB接口的設備十分的復雜，因此USB接口設備必須要具備相應的智能性，只有這樣才能夠對相應的問題進行解決。對于USB轉化的芯片必須要具備以下幾個方面：

①USB接口控制器，在USB接口中，有些芯片僅能支持低速傳輸，但是有些卻可以支持所有的USB傳輸類型接口;②發送與接收數據緩沖區，保存發送數據的緩沖區主要是采用FIFO結構;③寄存器主要由狀態寄存器以及控制寄存器，主要是對于接收以及發送的字節進行相應的保存處理。

滿足該轉化技術的芯片主要有以下幾個因素：

①連接一般微處理器芯片;②基于通用系列的芯片;③應用程序專用的芯片。根據相應的實驗數據，最終可以發現，一般的微處理器的芯片的處理能力是比較的弱的，并且具有很大的缺點，而后兩種芯片在USB接口處理處理能力上卻比較相近，前者主要是利用微處理器，工作人員比較的熟悉操作，但是卻必須要自己編寫USB轉換協議，編寫這種協議十分的復雜，并且會消耗大量的時間，因此相關的人員都會選擇后者。

2.2 RS485接口芯片分析

在USB轉化UART接口之后，需要一種芯片將UART接口轉化為RS485接口，對于這種接口的選擇主要根據以下幾方面：

①節點數，節點數是指每個RS485接口芯片的驅動器能夠驅動的RS485負載，芯片所支持的節點數必須要多;②限斜率驅動，信號在傳輸中會發生相應的干擾反射，會影響正常的通信，為了解決這一問題，因此在芯片上要設計出限斜率方式，從而來避免干擾;③失效保護，根據RS485接口的要求，必須要能夠符合相應的標準;④瞬態保護，由于外界電纜的原因，在電纜之上會產生很強的電壓，因此必須要采取相應的保護措施，來對接口進行相應的保護。但是在進行RS485接口選擇的時候，一定要能夠將所有的方面進行相應的考慮。

3.接口轉換電路EMC設計

3.1 EMC的概述

對于EMC的概念，本文為了更好的讓讀者了解，做了一些概念的描述，希望能夠更好地理解保護電路其設計原則和設計原型的測試的基本要求。EMC是其英文Electro Magnetic Compatibility的縮寫，翻譯成中文是指電子與電氣設備或者是系統在預期的電磁環境中，按照設計者要求在正常環境下工作的能力。它是電子電器設備或者是系統的技術性能，EMC的概念也包含以下三個方面：

電磁干擾（EMI），是指系統或設備在一定的環境時，其性能處于正常運轉，不會產生超過其所承受的標準的電磁能量。

電磁抗擾度（EMS），是指系統或設備在一定的環境時，其性能處于正常運轉，其系統或設備所能承受標準數值的范圍內的電磁能干擾量。

電磁環境是指系統或設備在一定的環境時，而且其性能處于正常運轉，電磁兼容量是作為評判產品質量好壞的標準之一。

3.2 電磁兼容保護電路的研究

產品在其工業環境中產生的干擾，依據其干擾源與傳播途徑的不同，可以分為以下兩點，一是傳導、輻射，二是瞬態干擾。其原因為干擾的產生是由于干擾源的電流或電壓產生了其不必要的變化。假如這種不必要的變化通過導線直接傳給其他的設備會造成很大的危害，這就叫做傳導干擾。假如這種變化所產生的電磁波間接的通過空間傳播給其他的設備時，所造成的危害，這就叫做輻射干擾。

根據物理實驗中的電磁波理論就可以知道，在30MHz以下的低頻帶下主要是傳導干擾，在30MHz到300MHz的頻帶，主要的危害是輻射干擾。但是在工業環境中也免不了存在一些短暫的高能量電脈沖的干擾，而產生這些高能量脈沖非來自于干擾源，所以被稱為瞬態干擾。

3.3 結構設計

其結構的設計原型是重要的組成部分，雖然其結構不能單獨的解決EMC所有問題，但這卻是解決EMC問題的一個重要途徑。在常見的問題中，如良好的接地、電磁場屏蔽，都要借助于良好的結構設計才行。對于EMC來說，其結構設計包含著系統層面的設計概念，也就包含著結構形態上的設計概念，在原型的EMC設計中，接地設計、屏蔽設計、濾波設計等都不可能單獨的存在著。信號輸入與輸出的接口位置，各種的電路在產品中的分布，電纜的布置，接地點的位置選擇都對EMC產生著其重要的影響。

4.結語

本文主要對工業RS485與USB2.0接口轉換電路進行了相應的剖析，并且提出了相應的設計，將USB2.0接口轉化RS485接口，在很大程度上提高了工業生產的方便。

參考文獻

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