基于脈沖變壓器的總線(xiàn)式RS485隔離器

摘要：為簡(jiǎn)化總線(xiàn)式RS485隔離器的設計，提出基于脈沖變壓器的總線(xiàn)式RS485隔離器的技術(shù)方案。該方案具有簡(jiǎn)單實(shí)用、無(wú)需電源、無(wú)需考慮數據流向、在有限范圍內波特率自適應、底層用戶(hù)群體易于理解和掌控等特點(diǎn)。給出了基本實(shí)驗電路和脈沖變壓器的主要設計依據?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/脈沖變壓器">脈沖變壓器的總線(xiàn)式RS485隔離器，尤其適合工業(yè)環(huán)境下半雙工的A、B兩線(xiàn)制RS485通信網(wǎng)的升級改造，其基本思想也適用于全雙工的W、X、Y、Z四線(xiàn)制RS485／RS422通信網(wǎng)。
關(guān)鍵詞：轉換式RS485隔離器；總線(xiàn)式RS485隔離器；脈沖變壓器；脈沖寬度；過(guò)渡時(shí)間；波特率

面對越來(lái)越多的設備、儀表采用了A、B兩線(xiàn)制標準RS485接口，流行至今的轉換器式RS485隔離器模式以及該模式所涉及的各種新技術(shù)、新器件，客觀(guān)上只能越來(lái)越傾向于通信板卡的設計人員，而無(wú)法顧及廣大的RS485通信網(wǎng)底層用戶(hù)群體。另一方面，RS485具有的單極性脈沖驅動(dòng)、總線(xiàn)式多節點(diǎn)連接、收發(fā)同線(xiàn)以及低阻抗負載等特殊性，使總線(xiàn)式RS485隔離器的設計遠比轉換器式RS485隔離器復雜和困難得多。筆者另辟蹊徑、力求簡(jiǎn)捷，旨在較好地解決這一難題。

1 技術(shù)背景
1．1 RS485及其總線(xiàn)信號特征
RS485是一種經(jīng)濟型的傳統工業(yè)總線(xiàn)方式，支持點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工數據通信，收發(fā)信號分時(shí)占用同一總線(xiàn)(雙絞線(xiàn))。為避免總線(xiàn)沖突，0電平時(shí)A、B線(xiàn)由芯片輸出端真實(shí)驅動(dòng)，并使UB-UA=5 V；而1電平時(shí)或總線(xiàn)空用時(shí)，芯片輸出端呈現高阻，A、B線(xiàn)改由外接電阻偏置，并使UA略大于UB。
遠程數據連接通常存在較大的地電位差，由此形成的共模干擾過(guò)大時(shí)，往往造成誤碼或硬件損壞。采用節點(diǎn)隔離器進(jìn)行電氣隔離，是保障安全通信的有效措施。
1．2 RS485隔離器的常見(jiàn)類(lèi)型
按供電形式區分，RS485隔離器可分為有源隔離器和無(wú)源隔離器。其中無(wú)源隔離器雖然簡(jiǎn)單，但因由串口竊電，使RS485應有的驅動(dòng)能力也大打折扣，所以?xún)H適合節點(diǎn)數不多的通信網(wǎng)絡(luò )。目前有源隔離器已成為RS485隔離器的主流，而且隔離器中的接口側電路由接口內的芯片電源直接供電(而非串口竊電)或由外接電源供電，該電源再經(jīng)隔離型DC—DC為該隔離器的線(xiàn)路側電路供電。
按隔離元件區分，除了經(jīng)典的分立式光電隔離器，還有近年出現的集成化單片隔離器。這類(lèi)單片隔離器技術(shù)先進(jìn)、封裝小巧、性能優(yōu)異，其中包括以ADI公司基于芯片級變壓器的ADM2587E和ADM2582E為代表的磁隔離器、以TI公司lSO1176T為代表的電容隔離器和以NVE公司IL3585為代表的巨磁介質(zhì)隔離器等。
1. 3 RS485隔離器的端子模式
出于數據流向自動(dòng)識別和控制的需要，常見(jiàn)的RS485接口芯片都采用了相同的引腳模式，即：MCU側為DI、RO、DE、RE，總線(xiàn)側為A、B。受此影響，絕大多數RS485隔離器也不約而同地沿襲了這種做法，即：設備接口側端子為T(mén)(發(fā)送)、R(接收)、C(方向控制)，總線(xiàn)側端子為A、B。這類(lèi)RS485隔離器實(shí)際上相當于(或者就是)帶有隔離功能的RS232／RS485轉換器。如果按照RS485隔離器來(lái)理解，我們不妨將這類(lèi)帶有隔離功能的轉換器稱(chēng)為轉換式RS485隔離器。顯然，轉換式RS485隔離器的兩側端子不同，電路也不對稱(chēng)，因此有固定的安裝方向，兩側不可對調。1．2中所述隔離器均屬于轉換式RS485隔離器。
1．4 為底層用戶(hù)著(zhù)想
至少在十年前，轉換式隔離器用于BS485總線(xiàn)節點(diǎn)隔離還是非常適宜的，因為那時(shí)的PC機及其它工業(yè)設備基本上還保留著(zhù)RS232接口，所以實(shí)現起來(lái)既順理成章，又輕而易舉。然而時(shí)至今日，各種新產(chǎn)品中早已難見(jiàn)RS232蹤影，取而代之的是A、B二線(xiàn)制(或稱(chēng)A、B、GND三線(xiàn)制)的標準BS485接口。在這種情況下，一種新的、直接串接在A(yíng)、B二線(xiàn)制總線(xiàn)上的總線(xiàn)式RS485隔離器，將會(huì )更受廣大RS485底層用戶(hù)群體的歡迎。

2 新需求帶來(lái)新思路
總線(xiàn)式RS485隔離器的基本設計要求是：
1)兩側端子相同、內部電路對稱(chēng)；
2)可直接串入A、B總線(xiàn)中而無(wú)需任何轉換；
3)能勝任點(diǎn)對多點(diǎn)通信；
4)盡可能避免使用外接電源；
5)結構簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便；
所幸的是，武漢波士公司推出了一款并宣稱(chēng)是世界上唯一的無(wú)源BS-485光電隔離器——BS485A。據稱(chēng)，該隔離器兩頭完全一樣，均為A、B、(GND)，不分方向，無(wú)需收、發(fā)控制信號。暫且不論其負載能力如何，也不論其能否勝任點(diǎn)對多點(diǎn)通信，至少它的出現將使得用戶(hù)在已有RS485總線(xiàn)上加裝隔離器變得如同在已有RS232總線(xiàn)上加裝隔離器一樣簡(jiǎn)單方便，而且無(wú)需外接電源。這應該是件了不起的事情，同時(shí)也符合筆者的創(chuàng )作取向。