隔離RS-485的通信接口設計※

邢毅川，牟憲民，章艷

（大連理工大學 電氣工程學院，大連 116024）

引 言

在通信距離為幾十米到上千米的情況下，RS－485總線是一種應用最為廣泛的總線。在某些工業控制領域，由于設備工作現場和傳輸信號電纜途經的電磁環境復雜，電荷積累在各個節點之間可能存在較高的共模電壓，影響數據傳輸的準確性。雖然RS－485接口采用了差分方式進行發送與接收，具有一定的抗共模干擾能力，但當共模電壓超過RS－485接收器的極限電壓時（大于＋12V或小于－7V）[1]，接收器無法正常工作；嚴重時會導致半導體器件靜電擊穿，造成永久性損壞[2]，甚至會燒毀芯片和儀器設備。

將RS－485通信接口電路的電源和信號進行隔離的方式可以提高通信接口電路的抗干擾能力。一般采用DC／DC隔離電源模塊將系統和RS－485收發器的電源隔離，使用光耦將信號隔離，消除共模電壓的影響。采用光耦隔離實現信號隔離傳輸的RS－485電路，具有分立器件多、電路繁瑣、體積大、傳輸速率受光電器件限制等缺點，因此對系統通信的穩定性有一定的影響。

本文采用低價的ISO3082實現RS－485接口電平轉換。本設計大大減小了通信接口的體積，電路簡單，傳輸速率快，簡化了應用系統的設計，提高了系統通信的穩定性，給應用帶來很多方便。

1 通信接口電路組成

設計的電路包括電源隔離和信號隔離兩部分，實現了單電源供電，簡化了電路。圖1是通信接口電路的原理框圖。電源提供＋5V電壓，為ISO3082控制端供電。隔離變壓器和其驅動電路、整流電路、穩壓電路組成隔離型DC／DC電源模塊，為ISO3082總線端提供＋5V電源，與控制端電源隔離?？刂菩盘柡涂偩€端口通過ISO3082隔離。

2 隔離電源電路

隔離電源電路采用變壓器隔離，電路如圖2所示。MAX253用來驅動推挽型變壓器，發出的D1、D2方波信號波形互補，占空比均為50%。為了減小變壓器體積，使FS懸空，選定頻率為315kHz。變壓器選用EI19的磁芯，0.4mm2的漆包線，原邊繞組匝數為5匝，副邊繞組匝數為10匝。D1、D2兩個快恢復肖特基二極管1N5817組成全波整流電路，獲得的直流電壓大于6.5V。輸入電壓大于6.5V時，AMS1117正常工作，其輸出端需要加電容來補償頻率，22μF的鉭電容保證所有操作條件下的穩定。輸出＋5V電壓為ISO3082供電。

圖1 RS-485隔離原理框圖

圖2 隔離電源電路

3 信號隔離

ISO3082是TI公司推出的隔離型RS－485接口芯片，采用SOW－16封裝，內部集成了一個3通道隔離器件和一個半雙工RS－485收發器，2 500V隔離電壓，共模電壓抑制能力為25kV／μs，傳輸速率為200kbps。設計的推挽DC／DC電力電子變換電路，實現了接口電路電源的隔離，為ISO3082接口芯片提供電源，因此通信接口電路只需單電源供電即可工作。信號隔離電路如圖3所示，控制信號由接口J1接入芯片ISO3082，經過轉換與隔離，通過接口J2與設備通信。ISO3082實現RS－485收發功能框圖如圖4所示，由圖4可以得出芯片ISO3082實現RS－485通信的收發真值表。

圖3 信號隔離電路

4 ISO3082實現RS-485收發功能框圖

表1 接收真值表

表2 發送真值表

4 通信接口電路制作

使用Protel設計了電路的原理圖[4]（圖略——編者注）。為節約成本，使用單面覆銅板腐蝕方法手工制作電路板，因此在繪制電路板時，對相應的導線進行了適當加粗。選擇30mil寬度，焊盤直徑設定為80mil，過孔直徑為30mil。

打印電路圖時只選擇PCB的Toplayer層和Multi－Layer層的Top、Bottom、Double Sided和 Holes層。將板圖用激光打印機打印到熱轉印紙上的光面上，用透明膠帶將已確定好位置的圖紙（光面貼著覆銅面）的一邊固定到覆銅板上；然后將固定的一邊放進溫度達到170℃左右的塑封機中[4]，看準時機（完全壓過圖紙，而覆銅板仍夾在塑封機滾筒間）按反向按鈕5次；等溫度下降以后，慢慢揭下熱轉印紙，觀察墨跡是否完全轉印到覆銅板上，若有連接線，則斷開用記號筆補上。

將熱轉印好的覆銅板放進三氯化鐵溶液進行腐蝕，大約25min后腐蝕完成。取出線路板清洗掉線路表面的墨跡，在需要鉆孔的地方根據元器件的情況選擇合適直徑的鉆頭進行打孔。最后將電路元件裝配電路板上進行焊接。

5 RS-485收發測試

為了檢測ISO3082的RS－485收發功能，進行如下測試。首先，使DE和短接后置低電平，通過單片機的RS－485通信口輸出數據，接入A、B信號，從R測試點測試R端輸出波形。波形驗證了ISO3082從總線上接收數據的能力，能很好地保持波形的完整性，并且隔離掉了上升沿和下降沿的瞬時抖動。

最后，用單片機通過ISO3082的RS－485收發器發送一個十六進制數0xa6，8位數據，1位停止位，波特率為25 kbps，分別測量D、DE、A－B信號波形。再用收發器接收該數據，測量A－B差分信號的R信號波形。可以看出，基于ISO3082的收發器很好地實現了RS－485通信。

結 語

經過實驗驗證，由ISO3082為核心的隔離RS－485收發器，在傳輸速度為200kbps以下時完全能滿足要求。本文設計的RS－485通信接口電路簡單、體積小、性能可靠、使用方便。在對傳輸速度要求較高或要求全雙工收發的場合，可以選用同一系列的隔離芯片ISO3088，其傳輸速度為20Mbps。同樣的傳輸速率下，ISO3088能實現全雙工收發。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

[1] 穆斌，羅珣.RS－485總線網絡應用中的安全與可靠性[J].光學精密工程，2003，11（2）：90－94.

[2] 楊新華，張勇勝，包廣清，等.一種無源隔離型RS－485通信接口的設計和應用[J].化工自動化及儀表，2002，29（3）：50－51.

[3] 虞日躍，史洪源.RS－485總線的理論與實踐[J].電子技術應用，2001（11）：55－57.

[4] 杜剛.電路板設計與制作：Protel應用教程[M].北京：清華大學出版社，2010.