基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器

摘要：為簡(jiǎn)化總線式RS485隔離器的設(shè)計(jì)，提出基于脈沖變壓器的總線式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(shù)據(jù)流向、在有限范圍內(nèi)波特率自適應(yīng)、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(yàn)電路和脈沖變壓器的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器，尤其適合工業(yè)環(huán)境下半雙工的A、B兩線制RS485通信網(wǎng)的升級(jí)改造，其基本思想也適用于全雙工的W、X、Y、Z四線制RS485／RS422通信網(wǎng)。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換式RS485隔離器；總線式RS485隔離器；脈沖變壓器；脈沖寬度；過(guò)渡時(shí)間；波特率

面對(duì)越來(lái)越多的設(shè)備、儀表采用了A、B兩線制標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，流行至今的轉(zhuǎn)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，客觀上只能越來(lái)越傾向于通信板卡的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)、總線式多節(jié)點(diǎn)連接、收發(fā)同線以及低阻抗負(fù)載等特殊性，使總線式RS485隔離器的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)換器式RS485隔離器復(fù)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及其總線信號(hào)特征
RS485是一種經(jīng)濟(jì)型的傳統(tǒng)工業(yè)總線方式，支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)半雙工數(shù)據(jù)通信，收發(fā)信號(hào)分時(shí)占用同一總線(雙絞線)。為避免總線沖突，0電平時(shí)A、B線由芯片輸出端真實(shí)驅(qū)動(dòng)，并使UB-UA=5 V；而1電平時(shí)或總線空用時(shí)，芯片輸出端呈現(xiàn)高阻，A、B線改由外接電阻偏置，并使UA略大于UB。
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(jié)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(qū)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(yīng)有的驅(qū)動(dòng)能力也大打折扣，所以?xún)H適合節(jié)點(diǎn)數(shù)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(cè)電路由接口內(nèi)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為該隔離器的線路側(cè)電路供電。
按隔離元件區(qū)分，除了經(jīng)典的分立式光電隔離器，還有近年出現(xiàn)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(jí)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(shù)據(jù)流向自動(dòng)識(shí)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(cè)為DI、RO、DE、RE，總線側(cè)為A、B。受此影響，絕大多數(shù)RS485隔離器也不約而同地沿襲了這種做法，即：設(shè)備接口側(cè)端子為T(mén)(發(fā)送)、R(接收)、C(方向控制)，總線側(cè)端子為A、B。這類(lèi)RS485隔離器實(shí)際上相當(dāng)于(或者就是)帶有隔離功能的RS232／RS485轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器稱(chēng)為轉(zhuǎn)換式RS485隔離器。顯然，轉(zhuǎn)換式RS485隔離器的兩側(cè)端子不同，電路也不對(duì)稱(chēng)，因此有固定的安裝方向，兩側(cè)不可對(duì)調(diào)。1．2中所述隔離器均屬于轉(zhuǎn)換式RS485隔離器。
1．4 為底層用戶(hù)著想
至少在十年前，轉(zhuǎn)換式隔離器用于BS485總線節(jié)點(diǎn)隔離還是非常適宜的，因?yàn)槟菚r(shí)的PC機(jī)及其它工業(yè)設(shè)備基本上還保留著RS232接口，所以實(shí)現(xiàn)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二線制(或稱(chēng)A、B、GND三線制)的標(biāo)準(zhǔn)BS485接口。在這種情況下，一種新的、直接串接在A、B二線制總線上的總線式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
總線式RS485隔離器的基本設(shè)計(jì)要求是：
1)兩側(cè)端子相同、內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)；
2)可直接串入A、B總線中而無(wú)需任何轉(zhuǎn)換；
3)能勝任點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；
4)盡可能避免使用外接電源；
5)結(jié)構(gòu)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(jù)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(hào)。暫且不論其負(fù)載能力如何，也不論其能否勝任點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，至少它的出現(xiàn)將使得用戶(hù)在已有RS485總線上加裝隔離器變得如同在已有RS232總線上加裝隔離器一樣簡(jiǎn)單方便，而且無(wú)需外接電源。這應(yīng)該是件了不起的事情，同時(shí)也符合筆者的創(chuàng)作取向。