RS-485集線(xiàn)器的設計

　　RS-485總線(xiàn)基于平衡發(fā)送和差分接收，具有很強的抗共模干擾能力，在遠程有線(xiàn)數字通信領(lǐng)域使用非常廣泛。但它也存在一些缺點(diǎn)，如一個(gè)節點(diǎn)故障會(huì )引起整個(gè)總線(xiàn)癱瘓、不能星型布線(xiàn)等。在總線(xiàn)上加裝一個(gè)RS-485集線(xiàn)器可以彌補這些缺陷，同時(shí)延長(cháng)通信距離。

　　RS-485集線(xiàn)器工作原理

　　RS-485集線(xiàn)器利用主485芯片把上位機總線(xiàn)上的差分信號轉換成TTL電平，然后以廣播方式分配給其它各支路的從485芯片，由從芯片再轉換為差分信號發(fā)送到各分支總線(xiàn)上。圖1是四路集線(xiàn)器的應用方案，圖的左側接RS-485總線(xiàn)上位機，右側接各分支下位機。

　　由圖1可以看出，RS-485集線(xiàn)器起到了中繼器延長(cháng)距離和擴充終端數量的作用。對于四路集線(xiàn)器，它的四個(gè)分支總線(xiàn)可以分別按串行方式布線(xiàn)，相當于把原來(lái)的一組總線(xiàn)按星型方式分成了四組，解決了布線(xiàn)的局限性。另外，當其中一個(gè)節點(diǎn)故障導致總線(xiàn)短路時(shí)，只會(huì )影響到它所在的一組分支總線(xiàn)，而不會(huì )影響到其它三組。

　　圖1 RS-485集線(xiàn)器應用方案

　　圖2 防雷擊浪涌保護設計原理圖

　　圖3 自動(dòng)收發(fā)轉換設計原理圖

　　圖4 故障自動(dòng)隔離模塊原理框圖

　　RS-485集線(xiàn)器設計

　　參照圖1的工作原理，各模塊設計重點(diǎn)如下。

　　電源設計

　　出于隔離保護和抗干擾的考慮，5個(gè)485芯片采用5V隔離電源模塊供電，使主、從電路相互隔離。

　　信號隔離設計

　　所有分支信號與主站信號之間都采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，實(shí)現各分支之間、各分支與主站之間全部隔離。

　　防雷擊浪涌保護設計

　　如圖2所示，所有總線(xiàn)出口都采用防雷管和TVS管構成兩級保護?？偩€(xiàn)感應到雷擊等高壓大能量信號時(shí)，先通過(guò)防雷管提供的線(xiàn)線(xiàn)間、線(xiàn)地間防雷保護功能，使雷擊過(guò)電壓被迅速泄放，泄放過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會(huì )在電路中感應出一個(gè)尖峰電壓，次級保護使用的TVS管可以將上述尖峰電壓吸收。如果有較大的電流，可以通過(guò)熱敏電阻的高阻值來(lái)降壓。

　　零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉換設計

　　如圖3所示，利用485芯片的數據輸入端DI通過(guò)非門(mén)來(lái)控制收發(fā)控制端DE/RE。電阻、電容的作用是為了補償DI到DE之間信號傳輸的延時(shí)。

　　故障自動(dòng)隔離設計

　　該模塊的設計原理是用模擬開(kāi)關(guān)串接在各分支路的接收數據線(xiàn)上，通過(guò)單片機監測這些接收數據，判斷是否出現故障，當出現故障時(shí)使能端斷開(kāi)該路模擬開(kāi)關(guān)，同時(shí)發(fā)出報警，待故障恢復后再使其自動(dòng)接入，原理框圖如圖4所示。

　　單片機程序設計

　　485從芯片的RO取反后接485主芯片的RE/DE。若RO為高，主芯片處于接收上位機數據狀態(tài);若RO一直為低，則主芯片一直對上位機發(fā)送，算是故障狀態(tài)。

　　單片機內部設2秒為一個(gè)循環(huán)判斷周期。在這2秒內，如果有持續10ms的高電平，則視為正常無(wú)故障，導通模擬開(kāi)關(guān);若沒(méi)有，則視為故障，斷開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)。

　　單片機的主程序流程如圖5所示。單片機的定時(shí)中斷程序流程如圖6所示。

　　整個(gè)四路RS-485集線(xiàn)器的電路如圖7所示(篇幅有限，其中不包含電源)。

　　圖5 單片機主程序流程圖

　　圖6 單片機定時(shí)中斷程序流程圖

　　圖7 四路RS-485集線(xiàn)器設計原理圖

　　結語(yǔ)

　　本設計在工程中運行正常，可以實(shí)現收發(fā)數據的零延時(shí)自動(dòng)轉換、故障支路自動(dòng)排除以及故障恢復后自動(dòng)接入，最高波特率可達到115200bps。同時(shí)可以星型布線(xiàn)，延長(cháng)RS-485通信距離，增加帶負載能力，使得復雜電磁場(chǎng)環(huán)境下組建大規模RS-485網(wǎng)絡(luò )的很多問(wèn)題迎刃而解，極大地提高了系統可靠性。