RS-485集线器的设计.doc

作者：郑州威科姆公司 张晓健 河南海华来源:电子设计应用2009年第5期 摘要：本文介绍了一种四路RS-485集线器的设计，这种集线器具有各支路全部隔离、零延时自动收发转换、故障支路自动切除并报警、故障恢复后自动接入以及防雷击浪涌保护等功能，可以弥补RS-485总线在实际应用中的不足。关键词：RS-485；集线器；故障自动隔离引言RS-485总线基于平衡发送和差分接收，具有很强的抗共模干扰能力，在远程有线数字通信领域使用非常广泛。但它也存在一些缺点，如一个节点故障会引起整个总线瘫痪、不能星型布线等。在总线上加装一个RS-485集线器可以弥补这些缺陷，同时延长通信距离。RS-485集线器工作原理RS-485集线器利用主485芯片把上位机总线上的差分信号转换成TTL电平，然后以广播方式分配给其它各支路的从485芯片，由从芯片再转换为差分信号发送到各分支总线上。图1是四路集线器的应用方案，图的左侧接RS-485总线上位机，右侧接各分支下位机。由图1可以看出，RS-485集线器起到了中继器延长距离和扩充终端数量的作用。对于四路集线器，它的四个分支总线可以分别按串行方式布线，相当于把原来的一组总线按星型方式分成了四组，解决了布线的局限性。另外，当其中一个节点故障导致总线短路时，只会影响到它所在的一组分支总线，而不会影响到其它三组。图1 RS-485集线器应用方案图2 防雷击浪涌保护设计原理图图3 自动收发转换设计原理图图4 故障自动隔离模块原理框图RS-485集线器设计参照图1的工作原理，各模块设计重点如下。电源设计出于隔离保护和抗干扰的考虑，5个485芯片采用5V隔离电源模块供电，使主、从电路相互隔离。信号隔离设计所有分支信号与主站信号之间都采用高速光耦6N137进行隔离，实现各分支之间、各分支与主站之间全部隔离。防雷击浪涌保护设计如图2所示，所有总线出口都采用防雷管和TVS管构成两级保护。总线感应到雷击等高压大能量信号时，先通过防雷管提供的线线间、线地间防雷保护功能，使雷击过电压被迅速泄放，泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，次级保护使用的TVS管可以将上述尖峰电压吸收。如果有较大的电流，可以通过热敏电阻的高阻值来降压。零延时自动收发转换设计如图3所示，利用485芯片的数据输入端DI通过非门来控制收发控制端DE/RE。电阻、电容的作用是为了补偿DI到DE之间信号传输的延时。故障自动隔离设计该模块的设计原理是用模拟开关串接在各分支路的接收数据线上，通过单片机监测这些接收数据，判断是否出现故障，当出现故障时使能端断开该路模拟开关，同时发出报警，待故障恢复后再使其自动接入，原理框图如图4所示。单片机程序设计485从芯片的RO取反后接485主芯片的RE/DE。若RO为高，主芯片处于接收上位机数据状态；若RO一直为低，则主芯片一直对上位机发送，算是故障状态。单片机内部设2秒为一个循环判断周期。在这2秒内，如果有持续10ms的高电平，则视为正常无故障，导通模拟开关；若没有，则视为故障，断开模拟开关。单片机的主程序流程如图5所示。单片机的定时中断程序流程如图6所示。整个四路RS-485集线器的电路如图7所示(篇幅有限，其中不包含电源)。图5 单片机主程序流程图图6 单片机定时中断程序流程图图7 四路RS-485集线器设计原理图结语本设计在工程中运行正常，可以实现收发数据的零延时自动转换、故障支路自动排除以及故障恢复后自动接入，最高波特率可达到115200bps。同时可以星型布线，延长RS-485通信距离，增加带负载能力，使得复杂电磁场环境下组建大规模RS-485网络的很多问题迎刃而解，极大地提高了系统可靠性。参考文献1. B&B Electronics. RS-422 and RS-485 Application，Note, 19972. 尹征琦. 具有隔离性能的RS-485中继器及其设