光纖485通信控制系統研究

關鍵詞：485 通信；電氣設備；變頻器；通信板

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A

0 引言

光纖485通信控制系統是一種基于光纖通信技術和485 通信協議的控制系統，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、傳輸速率高等優點[1]，其可實現遠距離、可靠的實時數據傳輸和設備控制[2]。目前，很多變頻器、可編程控制器等設備都帶有推薦標準（recommended standard，RS）485 接口[3]。隨著科技進步，現有設備需進行自動化和智能化升級以適應智能生產。在復雜電磁環境中，由于干擾強度大，信號傳輸的準確性難以保證。盡管RS485 接口采用差分信號傳輸技術以降低干擾影響，但在長距離數據通信中仍存在一定的局限性。為了有效克服這一問題，可以采用光纖通信技術，該技術憑借其高數據傳輸容量以及對電磁干擾的高度免疫特性，已成為解決通信干擾的關鍵策略。鑒于多數設備配備RS485 接口，將RS485 差分信號轉換為光纖傳輸信號，不僅顯著提升了變頻器在極端環境下的多種能力，還增強了系統的穩定性和可靠性。這種轉換技術有效地提高了信號的抗干擾能力和傳輸距離，使得變頻器等電氣設備能夠在高溫、高濕、強電磁干擾等惡劣條件下穩定運行。

對于研究和開發RS485 差分信號轉換為光纖傳輸的控制系統，這款通信板具有重要的實際意義。其不僅為變頻器等電氣設備提供了強大的通信支持，也進一步推動了RS485 差分信號轉換為光纖傳輸的技術發展，為工程實踐中的通信系統設計提供了新的思路和方法，以提高通信系統的性能和可靠性。

1 變頻器及485光纖通信板介紹

1.1 變頻器運行結構

圖1為運行變頻器的結構框圖，其揭示了光纖通信板在實現長距離雙向通信中的關鍵作用。在現代工業控制系統中，變頻器是調節電機轉速的重要設備，而主機與從機之間的通信是實現精確控制的前提。然而，傳統的電氣信號傳輸方式在長距離通信中面臨信號衰減和干擾等問題，這限制了變頻器系統的應用范圍和性能。

為了克服這些問題，應用了光纖通信板。在主機側，RS485 差分信號先通過485 收發電路被轉換為晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistorlogic，TTL）電平信號，這些電平信號再通過光纖轉換電路進一步被轉化為光纖信號。光纖信號通過光纖介質進行傳輸，由于光纖具有極低的信號衰減和出色的抗電磁干擾能力，因此可以在不損失信號質量的情況下，實現遠距離的信號傳輸。在從機側，接收的光纖信號再次通過光纖轉換電路被還原為TTL 電平信號，這些電平信號通過485 收發電路轉換回RS485 差分信號，供變頻器從機使用。該方案可以實現主機和從機之間通過光纖通信板進行穩定、可靠的雙向通信。

通過這種方式，光纖通信板不僅確保了信息的高效傳遞，還提高了系統的抗干擾能力和傳輸距離，從而提升了變頻器系統的整體性能。這種光電信息轉換技術的成功應用，為工業控制系統提供了更加靈活和高效的通信手段，有助于推動工業自動化和智能化的進一步發展。隨著技術的不斷進步和成本的降低，光纖通信板在工業控制領域的應用將更加普遍，從而為各種遠程控制和監測應用提供強大的通信支持。

1.2 光纖通信板工作原理

圖2展示了光纖通信板的結構，包括供電電路、485收發電路和光纖轉換電路。該通信板在光纖通信系統中具有至關重要的作用，它將RS485 差分信號轉換為TTL 電平信號，再轉化為光纖信號進行發送，并逆向還原接收的光纖信號，實現主機與從機間的通信。

供電電路是光纖通信板的重要組成部分。它為整個通信板提供穩定的電源，并隔離電源與通信信號，從而避免電源干擾對通信信號的影響。供電電路的設計可以提高通信系統的可靠性和穩定性。

485收發電路是光纖通信板的另一個關鍵部分。它負責接收和發送RS485 差分信號。RS485是一種常用于工業通信的串行通信協議，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。485 收發電路將接收到的RS485 差分信號轉換為TTL 電平信號，或將TTL 電平信號轉換為RS485 差分信號發送出去。

光纖轉換電路是光纖通信板的核心部分。它將TTL 電平信號轉換為光纖信號發送，并逆向還原接收的光纖信號。光纖通信具有高速、大帶寬、低損耗等優點，因此其在長距離通信和高速數據傳輸中得到廣泛應用。光纖轉換電路的設計可以實現光纖信號與TTL 電平信號之間的有效轉換，確保通信的可靠性和穩定性。

2 硬件電路設計

設計光纖通信板需充分考慮在惡劣電磁環境下實現穩定通信的需求，為實現這一目標，應考慮電氣隔離、抗干擾、低功耗等特點，并且需要設計隔離供電以保證供電的穩定性，最重要的是光纖通信板需實現RS485 與光纖信號的轉換。

2.1 供電電路設計

本文供電芯片選擇了LM2576R-ADJ，LM2576R是一種具有調節功能的降壓型直流轉直流（DCDC）芯片，適用于各種電子設備。它是由得州儀器公司（TI）生產的一款集成電路芯片，具有較高的電源轉換效率，可以將高電壓轉換為低電壓，同時減少能量損耗，芯片的電路能夠有效隔離電源與通信線路，減少干擾，提高通信穩定性。圖3 為供電電路，該電路包括輸入和輸出濾波以及隔離電源，將芯片的輸入引腳（VIN）接到高電壓源上，再將輸出引腳（VOUT）連接到需要穩定電壓的電路上，同時連接電容和電感。通過調整反饋引腳（FB）的電壓來調整輸出電壓，輸出電壓與反饋引腳上的電壓成反比，從而將9 ～ 36 V 的輸入電壓轉換為5 V 隔離輸出電壓，以提升系統性能、增加設備安全。

2.2 485收發電路和自使能電路設計

圖4 中的SCIR 引腳負責接收信號、SCIT 引腳負責發出信號、RTS 引腳負責請求發送。485 收發電路和自使能電路設計包含3 個主要部分：自使能模塊、485 收發器和保護濾波單元，其能夠有效實現485 收發電路與自使能功能的集成。自使能模塊負責控制電路的激活與休眠，可以降低能耗。485收發器則是電路的核心，負責將差分信號與TTL電平信號相互轉換，實現數據的收發。保護濾波單元則起到了保護電路的作用。該設計既考慮了電路的功能性，又注重了電路的可靠性和抗干擾能力。其中，二極管用于防過壓，三極管作為開關來控制信號傳輸。485 總線通過精心設計的濾波和保護電路，將信號傳輸至通信芯片。這些電路有助于消除噪聲和干擾，確保信號的清晰度和完整性。

3 電路工作過程分析

485總線下的各個從屬裝置均需要具有自身的特殊網址，主機經過從機地址完成識別和通信[4]，圖4 詳細展示了光纖通信板的工作原理，通過使用光信號進行主機與從機間的信息傳輸。首先，主機發出通信命令，之后將差分信號轉換為電平信號。其次，驅動芯片SN75451B 和光纖發送器HFBR-1521 將這些電平信號轉換為光信號，并且通過光纖發送至另一塊光纖通信板。在接收板上，收發器U3 將光信號還原為電平信號，并輸出差分信號至從機。從機接收到信號后進行響應，并將反饋信號傳回主機，從而完成了整個信號轉換和遠程通信過程。這種通信方式不僅提高了數據傳輸的穩定性和可靠性，還具有較強的抗干擾能力和較高的傳輸速率，適用于遠距離、復雜環境下的通信需求。這種轉換技術使得信號能夠在長距離和干擾較強環境中穩定傳輸，從而保證了數據的準確性和實時性。遠程監控和控制能力的增強，使得操作人員能夠在安全距離內對關鍵設備進行監測和管理，減少了現場人員的需求，降低了安全風險。

4 實驗結果分析

通過示波器分別檢測光纖通信板的原始波形，包括：①收發器在接收到差分信號后，通過內部的信號處理，將其轉換成的標準TTL 電平信號形式；②收發器是否處于激活狀態的信號波形；③在光纖通信板接收端，將光信號轉換回電信號后，通過收發器處理輸出的TTL 電平信號。在沒有通信時，自使能信號保持低電平，接收信號為高電平，發送端處于高阻狀態。通過觀察工作狀態下的正常工作波形，結果顯示正確脈沖，設計的光纖通信板實現了預期的功能。

通過示波器檢測光纖通信板數據波形圖。當485收發器的使能端處于低電平狀態時，該收發器便啟動工作，開始接收上位機發出的信號。這些接收到的信號經過處理后，被轉換成光纖信號，并通過收發器的1 腳輸出，最終傳輸至從機。這種信號的轉換過程是光纖通信板能夠實現遠距離、高質量數據傳輸的關鍵。

結果顯示正確脈沖，主機已經成功接收到變頻器返回的信號，這對于確保通信的可靠性和穩定性至關重要。

5 結論

本文設計了一種光纖通信板，用于替代傳統雙絞線，在設計過程中，主要考慮保持硬件的簡潔性，在不增加額外硬件負擔的前提下，實現光纖與RS485 數據的轉換。通過設計的電路，本文成功地將RS485 差分信號轉換為光纖信號，并且在接收端將光纖信號還原為RS485 差分信號，通過實驗證明了其穩定性和抗干擾能力。光纖通信板的供電電路也是設計中的重要一環，其具有良好的隔離和保護能力，使得光纖通信板能夠在各種電源環境下穩定工作，進一步提升了系統的安全性和可靠性。這種供電電路的設計不僅適用于RS485 通信設備，還可以根據需求輕松地擴展支持RS232 和RS422 信號的長距離通信，具有顯著的實用性和推廣價值。