如何設(shè)計零延時隔離技術(shù)的RS485息線節(jié)點？

引 言

在工業(yè)控制設(shè)備之間中長距離通信的諸多方案中，RS485總線因其硬件設(shè)計簡單、控制方便、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工廠自動化、工業(yè)控制、小區(qū)監(jiān)控、水利自動測控等領(lǐng)域。RS485總線采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動，各節(jié)點之間的通信是以一對雙絞線作為傳輸介質(zhì)。與RS232接口相比，RS485總線的傳輸距離更長、抗干擾能力也更強。RS485總線具有以下一些特點：

①接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器，抗共模干擾能力強，即抗噪聲干擾性好。

②收發(fā)器輸出A、B之間的電平為+2～+6 V，是邏輯“1”;為-6～-2 V，是邏輯“0”。信號電平比RS232降低了，不易損壞接口芯片。另有“使能”控制信號，可使收發(fā)器處于高阻狀態(tài)，切斷與傳輸線的連接。

③接收器的輸入靈敏度為200 mV。即在當(dāng)收端VA-VB>+200 mV時，輸出為邏輯“0”;VA-VB-200 mV時，輸出為邏輯“1”。

④最高傳輸速率為10 Mbps，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1 200 m。

⑤在節(jié)點數(shù)為32個、配置120 Ω終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出1.5 V電壓(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān))。

⑥具有多站點傳輸能力，即總線上允許掛接多個收發(fā)器，可建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

在傳統(tǒng)的RS485總線節(jié)點設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文基于ADI公司推出的帶隔離的增強型RS485收發(fā)器AD-uM2483，采用磁耦隔離和硬件零延時技術(shù)所設(shè)計的RS485總線節(jié)點，具有良好的抗干擾性和較高的通信速率，可應(yīng)用在一些環(huán)境比較復(fù)雜的工業(yè)場合。

1 設(shè)計思想

RS485總線節(jié)點由單片機STC12C5410AD、帶隔離的RS485收發(fā)器ADuM2483、高速三極管等組成。其中，ADuM2483的應(yīng)用圖如圖1所示。STC12C5410AD是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。其內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、4路PWM、通用全雙工異步串行口(UART)，可用定時器軟件實現(xiàn)多串口;8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，寬電壓，不怕電源抖動，高抗靜電(ESD保護)，特別適用于強干擾場合。

在情況比較復(fù)雜的現(xiàn)場中，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓。雖然RS485總線采用平衡式發(fā)送、差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動，具有一定的抗共模干擾能力，但當(dāng)共模電壓超過其極限接收電壓時，RS485收發(fā)器就無法工作了，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。因此，為了適應(yīng)強干擾環(huán)境甚至更苛刻的性能要求，必須對RS485總線各節(jié)點實行電氣隔離。

傳統(tǒng)的RS485隔離總線節(jié)點是由光電耦合器和RS485總線收發(fā)器(如MAX485)構(gòu)成，使用光束來隔離和保護檢測電路，在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口。目前，一般使用6N137光電隔離器件，用MAX485作為RS485總線收發(fā)器。Toshiba公司的6N137工作電壓為5V，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps，工作溫度一般為0～70℃;隔離電壓為2 500 V(有效值)，以DIP8封裝，每個芯片僅提供一個隔離通道，體積大，穩(wěn)定性差，功耗高，LED易老化。這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應(yīng)用。本文選用ADI公司的ADuM2483。它是一款帶隔離的RS485收發(fā)器和一個3通道的數(shù)字隔離器，是目前性價比很高的RS485收發(fā)器，功能上相當(dāng)于1個MAX485和3個6N137光耦隔離器，可滿足RS485總線節(jié)點的要求。

2 ADuM2483簡介

ADuM2483采用的iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合。這種技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程，并且采用iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動和接收電路，從而實現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢。由于使用晶片級制造工藝直接在芯片上制造iCoupler變壓器，所以iCoupler通道比光電耦合器更為有效地實現(xiàn)通道之間的集成，也更容易地實現(xiàn)其他半導(dǎo)體功能。

iCoupler數(shù)字隔離器無需驅(qū)動LED的外部電路，功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。這種新的基于電磁的隔離方法，在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光電耦合器。iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本、小體積的SOIC封裝。另外，iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，因此非常適合于各種工業(yè)上的應(yīng)用(包括數(shù)據(jù)通道、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，以及其他多通道隔離應(yīng)用)。

ADuM2483包括1個3通道隔離器、1個帶三態(tài)輸出的差分驅(qū)動器和1個帶三態(tài)輸入的差分接收器。其1/8單位負(fù)載的接收器輸入阻抗允許多達256個收發(fā)器接入總線，最高傳輸速率可達500 kbps;邏輯端兼容3 V/5 V工作電源，總線端5 V供電。

ADuM2483采用限擺率驅(qū)動器，較低擺率降低了不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼。其接收輸入具有真正的失效保護功能，當(dāng)接收器輸入為開路、短路、或空閑時，真正的失效保護可使接收器的輸出邏輯變高。在上電過程中或接入一個已上電的底板時，其熱插拔回路可消除由于對使能和差分接收器輸入端的擾動而導(dǎo)致的錯誤數(shù)據(jù)。ADuM2483的驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷保護電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。芯片封裝采用易于使用的SOW16封裝，工業(yè)級溫度范圍內(nèi)無需任何分立元件就可實現(xiàn)RS485功能。其主要特點如下：

◆傳輸速率高，最高可達500 kbps;

◆帶載能力強，總線上最多可以掛接256個節(jié)點;

◆具有±2 kV的ESD保護功能和熱關(guān)斷保護功能;

◆工業(yè)級溫度范圍為-40～+85℃;

◆瞬態(tài)高共模抑制能力，真正防故障裝置的接收輸入端;

◆低功耗，最大2.5 mA的工作電流;

◆體積更小，集成度高，大大減小了印制電路板的面積。

3 RS485總線節(jié)點設(shè)計

ADuM2483所隔離的兩端有各自的電源和參考地。其中，邏輯端電壓為2.7～5.5 V，可以實現(xiàn)低電壓供電，從而進一步降低系統(tǒng)功耗;總線端5 V供電，本文設(shè)計的接口電路的邏輯端電壓采用5 V供電。電源和參考地之間需接入0.1μF龜容，以濾除高頻干擾。需要注意的是：圖中，GND1與GND2是2個不同的參考地，否則將達不到隔離的效果。