波特率自適應RS—485中繼器的設計

周德君

摘要：RS4-85通訊在工業控制及自動化儀表中被廣泛采用，它具有電路結構簡單，抗干擾能力強，傳輸距離遠等特點。 RS-485 總線網絡只能以總線型進行布線，網絡不能出現分支，因此對實際布線設計及施工造成很大難度。本文介紹了一款波特率自適應RS-485總線中繼器電路，該電路可以實現總線隔離、分支、擴展等功能，有效改善了電路拓撲結構，提高可靠性及適應能力，為工程施工帶來極大的便利。

關鍵詞：SP485接口芯片 電氣隔離 光耦 浪涌抑制

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

RS-485標準是由電子工業協會（EIA）和通訊工業協會（TIA）兩個行業協會共同開發和制訂的。RS-485總線作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范規，已成為業界應用最為廣泛的標準通信接口之一。485通信接口允許在一對雙絞線上實現主從結構的多點雙向通信，即一個主站，若干個從站[1]。它具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。因此，許多領域都采用RS-485作為數據傳輸鏈路。如工業控制、智能儀表、智能樓宇等。RS-485總線采用終端匹配的總線型結構拓撲結構，用一條連續的通訊總線將各個節點串聯起來。總線上的每個引出節點分支電纜長度應盡可能的縮短，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為星形連接，消除分支電纜信號反射對總線的影響，優化了網絡拓撲結構。

本分支器電路主要由485接口芯片、光耦、防浪涌電路、隔離電源及相關的阻容元件構成。該電路可以自動識別并切換總線數據流方向，自動適應總線波特率的變化，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公司增強型低功耗半雙工SP485芯片[2]。SP485滿足RS-485和RS-422規范，數據傳輸速率高達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為發送器使能端，4#腳為發送器輸入，5#腳為GND，6#腳為同相發送器輸出/接收器輸入，7#腳為反相發送器輸出/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收發使能端短接，分別通過光耦受總線另一側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，驅動器輸出為高阻態。由于電阻R9、R10的作用，使的總線電平A2大于B2。

當總線電平為A1小于B1 0.2V時，U1的RO端輸出為低電平，光耦U3輸出端導通，U4的收發使能端DE、/RE拉為高電平。此時U4的接收端處于高阻狀態，驅動器輸出有效。由于數據輸入端DI接地，驅動器輸出A低，B高，總線上的電平A2小于B2。

當數據傳送結束后，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，無論總線哪一側來數據均可自動響應。由于RS-485芯片接收和發送使能控制信號均由總線通訊數據本身自動產生，不需要額外的控制電路及延時電路，數據流向自動切換，數據通訊實時透明傳輸，不受總線波特率變化的影響。

3 保護電路

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措施。

R11、R12、R13、R14為PTC保護限流電阻，通常阻值不大于10Ω。總線兩側A、B通過TD1-TD4為TVS浪涌電流抑制器[3]接地，TVS也可以用相應電壓等級的穩壓二極管代替。PTC電阻也可以用自恢復保險絲代替。根據需要也可以增加防雷管。但過多的增加保護元件會增加總線A、B兩端的線間電容，造成信號波形畸變，影響整個總線負載節點數與通信穩定性。

4 電源電路

電源電路采用了集成穩壓隔離電源模塊，省下電源系統的開發時間，縮短了產品的設計開發周期。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，提高電源系統的可靠性。

5 結語

采用中繼器的RS-485網絡可以徹底改善總線形網絡拓撲結構的限制， 優化了網絡結構，提高了通訊驅動能力，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，提高系統抗干擾能力，避免某一通訊節點損壞影響到整個網絡的情況。

參考文獻

[1]汪獻忠，劉巍，呂運鵬.基于MODBUS協議的工業智能通訊模塊的設計[J].儀表技術與傳感器，2006（6）：47-49 .

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

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