RS-485集線器的設(shè)計

　　RS-485總線基于平衡發(fā)送和差分接收，具有很強的抗共模干擾能力，在遠(yuǎn)程有線數(shù)字通信領(lǐng)域使用非常廣泛。但它也存在一些缺點，如一個節(jié)點故障會引起整個總線癱瘓、不能星型布線等。在總線上加裝一個RS-485集線器可以彌補這些缺陷，同時延長通信距離。

　　RS-485集線器工作原理

　　RS-485集線器利用主485芯片把上位機總線上的差分信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為差分信號發(fā)送到各分支總線上。圖1是四路集線器的應(yīng)用方案，圖的左側(cè)接RS-485總線上位機，右側(cè)接各分支下位機。

　　由圖1可以看出，RS-485集線器起到了中繼器延長距離和擴充終端數(shù)量的作用。對于四路集線器，它的四個分支總線可以分別按串行方式布線，相當(dāng)于把原來的一組總線按星型方式分成了四組，解決了布線的局限性。另外，當(dāng)其中一個節(jié)點故障導(dǎo)致總線短路時，只會影響到它所在的一組分支總線，而不會影響到其它三組。

　　圖1 RS-485集線器應(yīng)用方案

　　圖2 防雷擊浪涌保護(hù)設(shè)計原理圖

　　圖3 自動收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計原理圖

　　圖4 故障自動隔離模塊原理框圖

　　RS-485集線器設(shè)計

　　參照圖1的工作原理，各模塊設(shè)計重點如下。

　　電源設(shè)計

　　出于隔離保護(hù)和抗干擾的考慮，5個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(shè)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，實現(xiàn)各分支之間、各分支與主站之間全部隔離。

　　防雷擊浪涌保護(hù)設(shè)計

　　如圖2所示，所有總線出口都采用防雷管和TVS管構(gòu)成兩級保護(hù)。總線感應(yīng)到雷擊等高壓大能量信號時，先通過防雷管提供的線線間、線地間防雷保護(hù)功能，使雷擊過電壓被迅速泄放，泄放過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會在電路中感應(yīng)出一個尖峰電壓，次級保護(hù)使用的TVS管可以將上述尖峰電壓吸收。如果有較大的電流，可以通過熱敏電阻的高阻值來降壓。

　　零延時自動收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計

　　如圖3所示，利用485芯片的數(shù)據(jù)輸入端DI通過非門來控制收發(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?shù)难訒r。

　　故障自動隔離設(shè)計

　　該模塊的設(shè)計原理是用模擬開關(guān)串接在各分支路的接收數(shù)據(jù)線上，通過單片機監(jiān)測這些接收數(shù)據(jù)，判斷是否出現(xiàn)故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時使能端斷開該路模擬開關(guān)，同時發(fā)出報警，待故障恢復(fù)后再使其自動接入，原理框圖如圖4所示。

　　單片機程序設(shè)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(shù)據(jù)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(nèi)部設(shè)2秒為一個循環(huán)判斷周期。在這2秒內(nèi)，如果有持續(xù)10ms的高電平，則視為正常無故障，導(dǎo)通模擬開關(guān);若沒有，則視為故障，斷開模擬開關(guān)。

　　單片機的主程序流程如圖5所示。單片機的定時中斷程序流程如圖6所示。

　　整個四路RS-485集線器的電路如圖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 單片機定時中斷程序流程圖

　　圖7 四路RS-485集線器設(shè)計原理圖

　　結(jié)語

　　本設(shè)計在工程中運行正常，可以實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的零延時自動轉(zhuǎn)換、故障支路自動排除以及故障恢復(fù)后自動接入，最高波特率可達(dá)到115200bps。同時可以星型布線，延長RS-485通信距離，增加帶負(fù)載能力，使得復(fù)雜電磁場環(huán)境下組建大規(guī)模RS-485網(wǎng)絡(luò)的很多問題迎刃而解，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。