基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器

张悦君

（大庆油田电力集团 供电公司，黑龙江 大庆 163453）

面对越来越多的设备、仪表采用了A、B两线制标准RS485接口，流行至今的转换器式RS485隔离器模式以及该模式所涉及的各种新技术、新器件，客观上只能越来越倾向于通信板卡的设计人员，而无法顾及广大的RS485通信网底层用户群体。另一方面，RS485具有的单极性脉冲驱动、总线式多节点连接、收发同线以及低阻抗负载等特殊性，使总线式RS485隔离器的设计远比转换器式RS485隔离器复杂和困难得多。笔者另辟蹊径、力求简捷，旨在较好地解决这一难题。

1 技术背景

1.1 RS485及其总线信号特征

RS485是一种经济型的传统工业总线方式，支持点对多点半双工数据通信，收发信号分时占用同一总线（双绞线）。为避免总线冲突，0电平时A、B线由芯片输出端真实驱动，并使UB-UA=5 V；而1电平时或总线空闲时，芯片输出端呈现高阻，A、B线改由外接电阻偏置，并使UA略大于UB[1-2]。

远程数据连接通常存在较大的地电位差，由此形成的共模干扰过大时，往往造成误码或硬件损坏。采用节点隔离器进行电气隔离，是保障安全通信的有效措施。

1.2 RS485隔离器的常见类型

按供电形式区分，RS485隔离器可分为有源隔离器和无源隔离器。其中无源隔离器虽然简单，但因由串口窃电，使RS485应有的驱动能力也大打折扣，所以仅适合节点数不多的通信网络。目前有源隔离器已成为RS485隔离器的主流，而且隔离器中的接口侧电路由接口内的芯片电源直接供电（而非串口窃电）或由外接电源供电，该电源再经隔离型DCDC为该隔离器的线路侧电路供电[3]。

按隔离元件区分，除了经典的分立式光电隔离器，还有近年出现的集成化单片隔离器。这类单片隔离器技术先进、封装小巧、性能优异，其中包括以ADI公司基于芯片级变压器的ADM2587E和ADM2582E为代表的磁隔离器[4]、以TI公司ISO1176T为代表的电容隔离器[5]和以NVE公司IL3585为代表的巨磁介质隔离器[6]等。

1.3 RS485隔离器的端子模式

出于数据流向自动识别和控制的需要，常见的RS485接口芯片都采用了相同的引脚模式，即：MCU侧为DI、RO、DE、RE，总线侧为 A、B。受此影响，绝大多数RS485隔离器也不约而同地沿袭了这种做法，即：设备接口侧端子为 T（发送）、R（接收）、C（方向控制），总线侧端子为A、B。这类RS485隔离器实际上相当于（或者就是）带有隔离功能的RS232/RS485转换器。如果按照RS485隔离器来理解，我们不妨将这类带有隔离功能的转换器称为转换式RS485隔离器。显然，转换式RS485隔离器的两侧端子不同，电路也不对称，因此有固定的安装方向，两侧不可对调。1.2中所述隔离器均属于转换式RS485隔离器。

1.4 为底层用户着想

至少在十年前，转换式隔离器用于RS485总线节点隔离还是非常适宜的，因为那时的PC机及其它工业设备基本上还保留着RS232接口，所以实现起来既顺理成章，又轻而易举。然而时至今日，各种新产品中早已难见RS232踪影，取而代之的是 A、B二线制 （或称 A、B、GND三线制）的标准RS485接口。在这种情况下，一种新的、直接串接在A、B二线制总线上的总线式RS485隔离器 ，将会更受广大RS485底层用户群体的欢迎。

2 新需求带来新思路

总线式RS485隔离器的基本设计要求是：

1）两侧端子相同、内部电路对称；

2）可直接串入A、B总线中而无需任何转换；

3）能胜任点对多点通信；

4）尽可能避免使用外接电源；

5）结构简单、安装简便；

所幸的是，武汉波士公司推出了一款并宣称是世界上唯一的无源RS-485光电隔离器——BS485A。据称，该隔离器两头完全一样，均为 A、B、（GND），不分方向，无需收、发控制信号[7]。暂且不论其负载能力如何，也不论其能否胜任点对多点通信，至少它的出现将使得用户在已有RS485总线上加装隔离器变得如同在已有RS232总线上加装隔离器一样简单方便，而且无需外接电源。这应该是件了不起的事情，同时也符合笔者的创作取向。

3 用脉冲变压器制作总线式RS485隔离器

为简化总线式RS485隔离器的设计，现提出基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器的技术方案。

在集成电路技术飞速发展的今天，变压器在很多应用领域早已被摒弃甚至遗忘。但就解决RS485的总线隔离而言，这种看似古老而笨重的器件，的确具有很多独到之处，值得我们重新关注。

3.1 对脉冲变压器情有独钟的15个理由

1）体现简捷至上、返璞归真的创作理念；

2）底层用户群体极易理解和掌控；

3）成熟并继续进步的技术、材料、工艺支持；

4）令人信服的可靠性；

5）近乎永久的寿命；

6）用于因特网网卡的成功先例；

7）特别适合RS485单极性脉冲的驱动和传输；

8）符合国内RS485通信网应用、运行现状；

9）无源的器件、无源的隔离----彻头彻尾；

10）轻松隔离所有节点，使外部总线完全浮置；

11）相对较低的信号损失和电能损失；

12）无需考虑数据流向；

13）（在有限范围内）波特率自适应；

14）简便的安装；

15）低廉的成本。

3.2 基本实验电路

图1是用脉冲变压器隔离A、B二线制RS485节点的基本实验电路。

图1 基本实验电路Fig.1 Basic experiment electric circuit

图1中虚线框内即为总线式RS485隔离器。其中脉冲变压器用于节点隔离；瞬变电压抑制二极管反向箝位于5.0 V，用于保护节点内部的RS485芯片；正向箝位于0.7 V，用于维持1电平时及总线空闲时各节点RS485芯片A、B间所需的弱正偏电压，并吸收脉冲变压器振铃。

3.3 脉冲变压器及其主要参数

脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器。为获得尽可能小的波形传输失真，对于给定的激励脉冲宽度tw，应使输出波形的边沿过渡时间tr和顶降λ都尽量小。在较高的要求下，一般须保证[8]:

式（1）中，twmin为激励脉冲的最小宽度。

3.4 激励脉冲宽度tw、输出波形过渡时间tr与波特率B的关系

图2是TTL电平的串行数据帧格式，每帧数据流中包含1位起始位、8位数据位、1位校验位、1位停止位。数据低位在先。

图2 中，（a）、（b）、（c）依次为传送 55H、00H、FFH 时的波形。就RS485信号而言，0电平期间对应于脉冲变压器的被激励时段，而（b）、（c）波形代表了两种极端被激励情况。

如果设数据通信的波特率为B，则图2中的每一个bit位的持续时间为1/B。不难理解，对于给定的波特率B，作用于脉冲变压器的激励脉冲的最大宽度和最小宽度分别为

图2 串行数据帧格式Fig.2 The frame form of serial data

设RS485通信的波特率上下限分别为Bmax、Bmin，则根据式（1）、（2）、（3）、（4），要求脉冲变压器：

3.5 关于初、次级间的耦合电容

光耦芯片的输入、输出间的耦合电容很小。相比之下，脉冲变压器初、次级间较大的耦合电容，不利于高频或尖峰共模冲击干扰的隔离抑制。为解决这一问题，可尽量选用超高导磁率的铁芯，并改进变压器绕制工艺，降低绕组分布电容；还可以在变压器的初、次级绕组间增设屏蔽层，并将屏蔽层接地[9]。

4 实验情况及脉冲变压器设计依据

理论上，我们当然希望用作RS485隔离器的脉冲变压器能够覆盖RS485通信中可能遇到的所有波特率——从75 bit/s直到10 Mbit/s，但事实上任何一只脉冲变压器都不可能做到这一点，也没有必要这样要求。由此形成的思路是，可用系列化的脉冲变压器实现各种常用波特率的分段覆盖，以供用户选择。另一方面，只有较远距离的数据通信才有必要加装隔离器，而较远距离数据通信的波特率既不会太高，也不会太低。这也会使问题更加简化。

对于RS485通信网，若用Bmax和Bmin分别表示某一区间的波特率上下限，则通常情况下:

而工业环境下最有可能的波特率范围是:

其上下限比值:

根据笔者的实验结果，由同一只脉冲变压器兼顾Bmax/Bmin＝ 8 并不难做到。 以此为例， 参照式 （5）、（6）、（7）及RS485接口芯片常规电气指标，可得符合式（10）的脉冲变压器的主要设计依据为：

5 结束语

1）利用脉冲变压器，可较好地解决总线式RS485隔离器设计复杂的技术难题，并具有简单实用、无需电源、无需考虑数据流向、在有限范围内波特率自适应、底层用户群体易于理解和掌控等特点。

2）基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器，尤其适合于空间电磁场比较复杂的工业环境下半双工的A、B二线制RS485通信网的升级改造。

3）隔离所有节点后，一般应为处于浮置状态的通信线路提供静电泄放通道[10]。这时可采用带屏蔽层的双绞线作为通信线路，并将其屏蔽层接至地网。

4）文中所述方案的基本思想也适用于全双工的W、X、Y、Z四线制RS485/RS422通信网的节点隔离。

[1]深圳市天地华杰科技有限公司.485总线工业级设计指南[EB/OL].[2011－06－15].http://www/chinakong.com/qiye/artic leview.asp？id=2718.

[2]余永权，汤荣江.计算机接口与通信[M].广州：华南理工大学出版社，2004.

[3]晶圆.jerrymiao.隔离技术在RS485/422中的应用[EB/OL].[2011 －06 －15].http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp？bbs_sn=3923077&bbs_page_no=7&bbs_id=3045#002.

[4]ADI公司.ADM2582E:信号和电源隔离的RS－485收发器[EB/OL].[2011－06－15].http://www.analog.com/zh/adm2582E.

[5]TI公司.ISO1176隔离 PROFIBUS RS485收发器[EB/OL].[2011－06－15].http://www.ti－iso.com/product.aspx？key=ISO1176.

[6]NVE公司.应用方案[EB/OL].[2011－06－15].http://wenku.baidu.com/view/2706696baf1ffc4ffe47ac3a.html.

[7]武汉波士电子有限公司.BS485A波士无源RS－485光电隔离 器 [EB/OL].[2011－06－15].http://www.bosika.com/files/BS485A.pdf.

[8]王瑞华.脉冲变压器设计[M].2版.北京：科学出版社，1996.

[9]孙育才，苏学成.单片微型计算机应用系统设计与实现[M].南京：东南大学出版社，1990.

[10]宁曰湧.无源双端全隔离方案的提出与实现[J].电子设计工程，2011，19（9）：30－33.

NING Yue-yong.Proposed and implemented without external power supply at both ends of the complete isolation scheme[J].Electronic Design Engineering，2011，19（9）：30－33.