RS-485总线光电隔离中继器的设计.docx

    RS-485总线光电隔离中继器的设计    张卡河南煤业化工集团永煤公司汪定军上海交通大学Reference 介绍了RS-4F45总线光电隔离中继器的设计原理和实现方法与传统中继器相比，电路融合了光电耦合隔离技术和自动切换技术，极大地提高了系统的安全性和可靠性Keys RS-485光电耦合隔离中继器一、引言RS-485总线是测控领域广泛采用的一种现场总线形式，由于采用了平衡发送和差分接收的方式，可以有效地克服共模干扰，并具有较高的数据传输速率和传输距离RS-485总线传输的最大距离为1 200米，使用中继器可以突破这个距离限制，扩展RS485网络本文通过对常用RS-485总线接口器件MAX3471工作原理深入分析的基础上采用光电耦合隔离和自动双向切换技术，设计了一种简单实用的RS-485总线光耦隔离中继器与传统RS-485中继器相比，本文设计的中继器传输信号稳定可靠，具有防雷击、电气隔离传输信号等独特优点，可广泛应用于各种大型测控系统二、总体设计结构上采用双信号端对称设计，分别称为信号1端和信号2端，它们都可以作为发送端和接收端使用由于RS-485采用半双工方式，同一时刻只允许一个作为发送端，另一个作为接收端。

光耦隔离芯片是信号端之间的传输媒介，隔离前后的信号摆脱了电气连接，对系统安全起到了防护作用外部电源采用+5V或+9V—+24V直流电源由于通信网络各点地相位差异较大，采用隔离电源分别给信号端供电，使得信号1墒GND、信号2端GND和电源端GND三者之间相互隔离，这样即使在某一端短路的情况下也不会危及整个网络，对网络及其设备起到了很好的保护作用三、工作原理与分析1隔离电源与信号隔离系统采用+5V直流电源直接供电或+9—+24V的直流电源供电采用+9—+24V直流电源供电时，需要将输入电压转换为+5V直流电LM2576是五端稳压器，五个端口分别是输入端、输出端，使能端（低电平有效），反馈端和地端按典型电路输入+9—+24V直流电，将从输出端将得到+5V直流电5V直流电通过隔离电源芯片U8和U9后得到两个与输入相隔离的电源VCC1和VCC2，分别给两个光耦供电隔离电源芯片采用了耀华电子生产的二次集成芯片，该产品具有体积小、效率高、高隔离电压、高可靠性和低价格等显著优点，适用于数字信号处理电路和对电压稳定度要求不高的模拟电路，特别适用于分布式电源供电系统及使用小功率电源供电信号隔离采用了光耦隔离方式。

光耦隔离器的结构相当于把发光二极管和光敏管封装在一起，发光二极管将输入的电信号转换为光信号传给光敏管，再由光敏管转换为电信号输出由于没有直接的电气连接，既耦合传输了信号，又具有隔离作用2中继器工作原理中继器的核心为中继器收发芯片，这里选用了MAX3471它采用8管脚封装，其中为接收控制端，低电平有效；DE为发送控制端，高电平有效将和DE连接在一起，可以保证芯片任一时刻只工作于一种模式RO和DI分别为数据接收端和数据发送端信号1端和信号2端在结构上互为对称，因此仅就信号1端输入数据，信号2端输出数据进行分析中继器分为空闲和数据传输两种状态，下面分别就这两种情况分析：(1)系统空闲：系统上电后如果没有数据传输，VCC1、VCC2分别通过R15和R21将U1_DI和U2_DI上拉至高电平，两个光耦都处于关闭状态， U1_RO和U2_RO都处于高电平的状态为了避免信号干扰产生误动作，采用施密特触发器对波形进行整形处理HEF4093为四通道双输入施密特触发器，U1_DI高电平信号经过施密特触发器的整形和反向后得到一个低电平信号，将该信号接至U1的和DE端表示允许接收因此总线上若为空闲，受上拉和下拉电路的影响，差分信号为高电平，RO数据接收端也始终为高电平。

2)数据传输：RS-232或TTL串口传输数据时，数据格式通常是起始位、数据位、奇偶校验位和停止位空闲时发送口为高电平，当有数据时总线由高电平跳至低电平，这个低电平就作为起始位当差分信号变为低电平（起始位）时，U1_RO变为低电平，Ul_RO经过光耦隔离后同相输出为U2_DI可以看到U2_DI信号除了作为数据外又经过施密特触发器的整形、反向后作为U2的发送控制端，由于控制信号此时为高电平，表示发送允许，故U2将U2_DI的低电平信号通过A2，82差分输出四、[]系统测试采用VB语言编写中继器收发测试软件，将RS-485总线光电隔离中继器通过双绞线将两台计算机相连，距离约1500m，传输速率设置为1 9.2kbit/s，分别在两合计算机上运行测试软件通过计算机1发送数据，设置“发送文本”为123456789， “发送次数”为100000，点击“发送”按钮发送数据在计算机2的“接受文本”框里显示了计算机1发送过来的内容，点击“显示测试结果”，误码率为0，达到了设计要求五、结束语在现场测控领域经常采用中继器扩展RS-485网络，但扩展的支路不能因为自身短路而导致整个网络受到破坏采用光耦隔离设计的中继器能够将任何故障只限制在扩展的支路内，很好地解决了这个问题。

同时也便于在故障时及时确定故障地点经过实际测试，该中继器传输信号稳定可靠，传输距离和传输速度得到很大地提高，因而具有广泛的应用价值  -全文完-。