RS485接口電路設計和應用

摘要：本文介紹了基本的RS485硬件接口電路，并從實際應用的角度考慮，給出了接口防護和自動收發的電路設計思路，為RS485協議下的多機通信系統設計提供參考。

關鍵詞：RS485總線；接口防護；自動收發；多機通信

Abstract：In this paper，basic interface circuit of RS485 bus is intro- duced，and RS485 bus interface protection and automatic transmission circuit is proposed for providing references for multi-computer communi-

cation system designing.

Keywords：RS485 bus；interface protection；automatic transmission；multi-

computer communication

1.引言

在實時數據采集和遠距離控制系統中，經常需要在主機和從機之間進行命令和數據傳送，實現主機對從機的遠程數據采集、監測和控制。出于成本和可靠性地考慮，通常利用串行通訊的方式，使用簡單通訊協議，采用單片機嵌入式系統。目前大部分單片系統上集成的是異步通訊串口（UART），傳輸距離一般不超過30m，傳輸信號容易受到干擾，不能滿足工業現場遠距離信息傳輸的需求。而只需要在單片機系統中增加一塊MAX485之類的接口轉換芯片，即可將單片機通用異步串口改造成RS485串行總線的通信方式。RS485協議是以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模于擾的能力，允許一對雙絞線上一個發送器驅動多個負載設備，同時具有傳輸距離遠、傳輸速度快等優點，容易組建成本低廉、可靠性高的應用系統。

2.RS485系統機制

在實際應用系統中，通常采用主從模式接口，下圖1是RS485總線協議的系統結構框圖。通信過程中，數據通信完全由主機主導，從機初始處于接收狀態，避免占用總線導致通信混亂。當主機發送指令數據時，所有從機都能接收到信息，然后匹配自身地址，地址一致的從機按照主機指令執行操作并做出應答，其他從機靜默。從機應答結束立即回到接收狀態釋放總線，準備接收下一次信息。

RS485通信協議屬于硬件協議，軟件數據協議與異步通訊串口相同，數字信號采用A、B差分信號模式。Vb-Va>200mV時表示邏輯“1”，Vb-Va<-200mV時表示邏輯“0”[1]。差分信號能較強的抑制共模干擾，保證通信的可靠性。

3.接口電路設計

3.1 RS485通用接口電路

在單片機采用異步通訊串口增加MAX485芯片，即可轉換成符合RS485協議的串口，實現電路如下圖2所示。UART轉RS485電路直接用集成器件MAX485實現，在最前和最后2個終端設備上需要安裝符合電纜傳輸特性的配電阻R3（一般取值120Ω）。RS485通信屬于半雙工方式，在通信過程中需要切換發送和接收狀態。當要發送數據時，對MAX485的使能腳置1，總線處于發送狀態；當要接收數據時，對MAX485的使能腳置0，總線處于接收狀態。初始時此電路中MAX485處于接收使能狀態，R1和R2上下拉保證A、B總線處于空閑狀態（邏輯0）。

3.2 隔離與防護

RS485總線系統在布線施工過程中，可能會同強電線路并行走線，或者在室外架空和在金屬物體上懸掛，信號線感應到浪涌等干擾，上行會串擾MAX485或者單片機芯片，嚴重時可能會擊毀芯片。針對此種狀況，我們采用信號隔離和浪涌抑制的方式，對電路中敏感元件進行保護。下圖3是我們采用的隔離防護電路。

電路中，V4、V5和V6是瞬態抑制二極管TVS，作用是泄放尖峰浪涌。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態。TVS具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優點，能有效保護后端電路[2]。

V1、V2和V3是光電耦合器，經過其“電—光—電”轉換過程，實現干擾隔離作用。光電耦合器簡稱光耦，器件內部把發光器和受光器集成封裝，以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端。它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優點。加載在單片機與MAX485之間的光耦隔離，保證單片機正常工作。

3.3 自動收發

MAX485芯片帶數據發送/接收使能腳，其作用在前文有說明。發送過程中需要不斷切換發送/接收狀態，且占用單片機口線。下圖4中電路則可以避免如此繁瑣的操作，實現自動收發數據。

V3是NPN型三極管，在電路中起到開關作用。當系統處于空閑狀態準備接收數據時，TXD引腳置1或高組態，光耦D1截止，從而V3基級處于高電平，集電極和發射機處于導通狀態，MAX485使能腳因低電平處于接收狀態，總線上A上拉B下拉處于空閑等待數據傳輸狀態。當系統發送數據時，TXD發送邏輯信號1導致光耦D1截止，V3基級處于高電平，集電極和發射極處于導通狀態，MAX485使能腳因低電平處于接收狀態，總線上A、B信號示由于上下拉電阻作用處于邏輯“1”狀態；TXD發送邏輯信號0，光耦D1導通，V3截止，MAX485使能腳上拉置“1”處于發送狀態，MAX485的TX引腳低電平，A、B線上傳送邏輯“0”信號。整個發送和接收過程無需占用單片機額外的使能口線和使能操作，只需三極管V3響應頻率滿足通信波特率要求即可。

4結束語

上述RS485接口設計電路在我司變送器產品中已經過使用驗證，防護效果明顯好于傳統電路，可靠性得到顯著提高。在RS485通信工程應用中，針對現場電磁環境，還需要采用合理地安裝布線方式，提高通信系統抗干擾能力，保證系統穩定靠可運行。

參考文獻：

[1]Texas Instruments Application Report”422 and 485 Standards Overview and System Configuration” .June.2002.http：//www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf.

[2]張欣，李愛軍等.RS485電路的匹配和保護性設計研究[J].航空計算技術.2007，5（37）：80-82.

基金項目：

安徽省科技重大專項項目（16030701095）

作者簡介：

計昌柱，男，就職于蚌埠依愛電子科技有限責任公司，助理工程師，研究方向：養殖環境控制系統硬件設計。