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成都英创信息技术有限公司 工控系统中的RS485 通讯接口设计
工控系统中的 RS485 通讯接口设计
在工业控制、采集等现场应用中,非常普遍地都会使用到 RS485、CAN 等通讯接口。同时这类通讯
线缆连接的两个设备相隔距离又比较远(最长的距离会达到 1 公里以上)、设备工作环境也比较恶劣
(机器机房、山区、电站)。所以,如此长的通讯线缆,会有效的把系统外的干扰信号或电磁脉冲接收
到板子上。如果没有对这部分信号进行处理,这些有害的信号则有可能使系统运行出错,严重的会导致
系统物理损坏。在山区雷雨季节,雷电辐射电流会通过通讯线缆直接导致系统损坏。所以,需要对这类
通讯接口进行物理隔离,达到保护系统正常运行的要求。
最基本的设计思路,可以参考下面的说明:
1、电路设计
由于通讯接口要连接较长的通讯线缆,所以通讯接口在系统中,就是主要的干扰源输入端口。在电
路设计的时候,需要把这部分电路完全物理隔离开,包括这部分的工作电源,同时端口驱动芯片也需要
选用有一定防护能力器件(如 SN74LBC184 ,接触放电:+/-30KV 空隙放电:+/-15KV 人体放电:
+/-15KV )。
在电气隔离方面,最常用的电路设计方法就是使用光电隔离器件(或磁耦器件),将系统中的信号
进行物理隔离后,传输给端口驱动器件,同时必须给端口驱动部分提供独立的电源(单独使用一个电源、
或者是使用隔离电源)。如下图所示:
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上图中,串口通讯信号经过关电隔离器件 H11L1 后,连接到 RS485 驱动器件 SN75LBC184 器件上,
同时 RS485 驱动器件的收/发控制信号 RTS ,也经过光电隔离器件TL181。图纸中的 ISO_VCC 及
ISO_GND 地线是一组电源,5V0 及 GND 是一组电源,这两组电源是物理隔离的。经过这样设计,串口
的收、发信号、控制信号和电源,全部都达到了物理隔离的要求。
2、光电隔离器参数
由于每颗光电隔离器都有它的工作参数,如数据传输率、输入二极管正向电流 IF、输出电流等 IC ,
它们决定了光电隔离器的工作状态与稳定性。
如 TLP181 的推荐工作参数:
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推荐工作参数
电气特性
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传输特性
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输出特性
这里 VF 是输入二极管正向压降 1.15V (IF=10mA ),IF 是输入二极管正向电流,如 IF 值太小,光
电接收器处于不饱和状态,数字信号传输特性变差;如 IF 值太大,对信号驱动器的驱动能力要求增加。
所以在实际的应用中,根据数据传输率和信号驱动器的能力,选择合适的关电隔离器与匹配限流电阻。
如参考图中的 U18 ,在这里是作为RS485 的 RTS 信号,所以数据传输率不会太高,结合实际使用
情况,U18 的数据传输率能满足4800 已经足够;同时,基于英创工控主板的电气特性,驱动端驱动电
压为 3.3V、最大驱动电流为 10mA 左右,所以控制 IF 电流的电
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