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标题: RS-485自收发电路的参考设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 10:22
标题: RS-485自收发电路的参考设计
RS-485标准在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中使用广泛。但是，在工业控制等现场环境中，情况复杂，常会有电气噪声干扰传输线路；在多系统互联时，不同系统的地之间会存在电位差，形成接地环路，会干扰整个系统，严重时会造成系统的灾难性损毁；还可能存在损坏设备或危害人员的潜在电流浪涌等高电压或大电流。因此，对RS-485接口的隔离是非常有必要的。
　　ADM2483是一款集成了信号通道隔离和RS-485收发器的芯片。以单芯片实现了对RS-485接口的隔离，电路连接简单，设计方便，性能上远高于繁琐的光耦隔离485电路设计。在某些系统应用中，由于I/O口数量有限，因此我们希望半双工的RS-485收发器能够实现自收发功能，以节省用于控制RE与DE的两路I/O端口。目前，实现这一功能的主流方案是采用74HC14芯片。下面，我们采用74HC14与ADM2483实现RS-485接口的信号隔离自收发设计。
　　硬件电路
　　隔离RS-485接口电路
　　之前我们经常采用的485接口隔离电路是利用三个光耦隔离收发及控制信号，加上485收发器共需要4片IC，且采用光耦隔离需要限流及输出上拉电阻，必要时还会使用三极管驱动。设计电路繁琐，耗费时间长，如果没有之前使用光耦的经验，那么在选用光耦限流及输出上拉电阻方面会耗费很多不必要的时间；且光耦的输出信号上升时间较长，在与数字I/O端口相接时，需另加施密特整形才能保证信号的波形符合标准，如在FPGA、DSP等系统中的应用。
　　ADM2483是内部集成了磁隔离通道和485收发器的芯片，内部集成的磁隔离通道原理与光耦不同，在输入输出端分别有编码解码电路和施密特整形电路，确保了输出波形的质量。且磁隔离功耗仅为光耦的1/10，传输延时为ns级，从直流到高速信号的传输都具有超越光耦的性能优势。内部集成的低功耗485收发器，信号传输速率可达500Kbps，后端总线可支持挂载256个节点。具有真失效保护、电源监控以及热关断功能。
　　要实现隔离RS-485接口的电路设计只需在ADM2483的电源与地之间接一个104的去耦电容即可。当然，DC-DC隔离电源是必不可少的。其电路连接如下图：

　　RS-485标准在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中使用广泛。但是，在工业控制等现场环境中，情况复杂，常会有电气噪声干扰传输线路；在多系统互联时，不同系统的地之间会存在电位差，形成接地环路，会干扰整个系统，严重时会造成系统的灾难性损毁；还可能存在损坏设备或危害人员的潜在电流浪涌等高电压或大电流。因此，对RS-485接口的隔离是非常有必要的。
　　ADM2483是一款集成了信号通道隔离和RS-485收发器的芯片。以单芯片实现了对RS-485接口的隔离，电路连接简单，设计方便，性能上远高于繁琐的光耦隔离485电路设计。在某些系统应用中，由于I/O口数量有限，因此我们希望半双工的RS-485收发器能够实现自收发功能，以节省用于控制RE与DE的两路I/O端口。目前，实现这一功能的主流方案是采用74HC14芯片。下面，我们采用74HC14与ADM2483实现RS-485接口的信号隔离自收发设计。
　　硬件电路
　　隔离RS-485接口电路
　　之前我们经常采用的485接口隔离电路是利用三个光耦隔离收发及控制信号，加上485收发器共需要4片IC，且采用光耦隔离需要限流及输出上拉电阻，必要时还会使用三极管驱动。设计电路繁琐，耗费时间长，如果没有之前使用光耦的经验，那么在选用光耦限流及输出上拉电阻方面会耗费很多不必要的时间；且光耦的输出信号上升时间较长，在与数字I/O端口相接时，需另加施密特整形才能保证信号的波形符合标准，如在FPGA、DSP等系统中的应用。
　　ADM2483是内部集成了磁隔离通道和485收发器的芯片，内部集成的磁隔离通道原理与光耦不同，在输入输出端分别有编码解码电路和施密特整形电路，确保了输出波形的质量。且磁隔离功耗仅为光耦的1/10，传输延时为ns级，从直流到高速信号的传输都具有超越光耦的性能优势。内部集成的低功耗485收发器，信号传输速率可达500Kbps，后端总线可支持挂载256个节点。具有真失效保护、电源监控以及热关断功能。
　　要实现隔离RS-485接口的电路设计只需在ADM2483的电源与地之间接一个104的去耦电容即可。当然，DC-DC隔离电源是必不可少的。其电路连接如下图：

　　信号自收发电路
　　信号自收发电路我们采用74HC14芯片，利用它的施密特波形翻转性能来控制RE、DE引脚，以实现信号的自收发。其电路连接如下图：

如图所示，MCU的发送信号经过施密特触发器反向后输给DE和RE脚，发送数据引脚TxD接地。
　　当有高电平信号发送时，经反向变为低电平信号，DE/RE引脚输入为低电平，使发送驱动器禁止，总线为高阻状态，此时由A、B总线上的上拉电阻产生高电平输出。

　　当有低电平信号发送时，经反向变为高电平信号，DE/RE引脚输入为高电平，使发送驱动器工作，由于TxD引脚端接地，为低电平，这样就将低电平发送至总线。
　　本参考设计仅为实现RS-485接口的自收发功能，在实际应用中，应根据使用情况作出相应的修改。此收发电路也有不足之处，当在连续发送高电平时，ADM2483的DE／RE引脚处于接收状态，所以，此时的发送端和接收端都处于接收状态，这时的总线是空闲状态，是允许各节点发送数据的，因此一般在主从式的网络结构中采用此方法。
　　在网络上也有不同的几种实现RS－485收发器自收发的方案，分别有以下几种：
　　利用三极管反向原理实现
　　电路如下图：

　　当不发送数据时，TxD信号为高电平，经V1反向后使ADM2483处于接收状态。
　　当发送数据时，TxD为高时，经V1反向，使发送驱动器禁止，总线为高阻状态，此时由A、B总线上的上拉电阻产生高电平输出。TxD为低时，经V1反向，使发送驱动器工作，由于TxD引脚端接地，为低电平，这样就将低电平发送至总线。
　　采用这种电路时，需要程序保证不同时进行接收和发送的操作。
　　利用555定时器，其原理于以上电路类似，电路图如下：

　　555定时器为边沿触发，当TxD发送高电平时，555定时器OUT引脚输出低电平，当TxD发送低电平时，555定时器OUT引脚输出高电平，当TxD转为高电平时，OUT引脚输出的高电平状态会延迟一会再转入低电平，以确保发送数据的正确性。
　　采用74HC14和RC电路实现，此电路是对单纯使用74HC14实现自收发电路的改进，增加了RC充放电电路，减少总线处于空闲状态的时间，电路如下图：

　　当TxD信号为高电平，则通过电阻为电容充电，其充电时间为T，该时间应设置为串口发送一个字节所需要的时间，由R，C参数来确定。当电容充满后，则DE／RE为低电平，使ADM2483处于接收状态。
　　在发送数据时，TxD起始位产生第一个下降沿，使电容经过二极管进行快速放电，使DE／RE很快变为高电平，ADM2483处于发送状态。在发送过程中，当TxD变成高电平时，电容通过电阻缓慢充电，使DE／RE仍然保持在发送状态，可有效吸收总线上的反射信号。当RC充电结束，使DE／RE转入接受状态时，总线上的上拉、下拉电阻将维持TxD高电平的发送状态，直至整个bit发送结束。
　　当数据发送完毕以后，TxD变为高电平，RC又开始充电，即经T时间后，ADM2483又转换为接收状态。
　　声明
　　以上所有电路均为参考电路，为电路设计者提供思路，在实际使用中请再次验证，以确保电路的稳定及不会对系统造成破坏。对于电路损坏造成的损失，概不负责。

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