隔离RS-485的通信接口设计※

邢毅川，牟宪民，章艳

（大连理工大学 电气工程学院，大连 116024）

引 言

在通信距离为几十米到上千米的情况下，RS－485总线是一种应用最为广泛的总线。在某些工业控制领域，由于设备工作现场和传输信号电缆途经的电磁环境复杂，电荷积累在各个节点之间可能存在较高的共模电压，影响数据传输的准确性。虽然RS－485接口采用了差分方式进行发送与接收，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS－485接收器的极限电压时（大于＋12V或小于－7V）[1]，接收器无法正常工作；严重时会导致半导体器件静电击穿，造成永久性损坏[2]，甚至会烧毁芯片和仪器设备。

将RS－485通信接口电路的电源和信号进行隔离的方式可以提高通信接口电路的抗干扰能力。一般采用DC／DC隔离电源模块将系统和RS－485收发器的电源隔离，使用光耦将信号隔离，消除共模电压的影响。采用光耦隔离实现信号隔离传输的RS－485电路，具有分立器件多、电路繁琐、体积大、传输速率受光电器件限制等缺点，因此对系统通信的稳定性有一定的影响。

本文采用低价的ISO3082实现RS－485接口电平转换。本设计大大减小了通信接口的体积，电路简单，传输速率快，简化了应用系统的设计，提高了系统通信的稳定性，给应用带来很多方便。

1 通信接口电路组成

设计的电路包括电源隔离和信号隔离两部分，实现了单电源供电，简化了电路。图1是通信接口电路的原理框图。电源提供＋5V电压，为ISO3082控制端供电。隔离变压器和其驱动电路、整流电路、稳压电路组成隔离型DC／DC电源模块，为ISO3082总线端提供＋5V电源，与控制端电源隔离。控制信号和总线端口通过ISO3082隔离。

2 隔离电源电路

隔离电源电路采用变压器隔离，电路如图2所示。MAX253用来驱动推挽型变压器，发出的D1、D2方波信号波形互补，占空比均为50%。为了减小变压器体积，使FS悬空，选定频率为315kHz。变压器选用EI19的磁芯，0.4mm2的漆包线，原边绕组匝数为5匝，副边绕组匝数为10匝。D1、D2两个快恢复肖特基二极管1N5817组成全波整流电路，获得的直流电压大于6.5V。输入电压大于6.5V时，AMS1117正常工作，其输出端需要加电容来补偿频率，22μF的钽电容保证所有操作条件下的稳定。输出＋5V电压为ISO3082供电。

图1 RS-485隔离原理框图

图2 隔离电源电路

3 信号隔离

ISO3082是TI公司推出的隔离型RS－485接口芯片，采用SOW－16封装，内部集成了一个3通道隔离器件和一个半双工RS－485收发器，2 500V隔离电压，共模电压抑制能力为25kV／μs，传输速率为200kbps。设计的推挽DC／DC电力电子变换电路，实现了接口电路电源的隔离，为ISO3082接口芯片提供电源，因此通信接口电路只需单电源供电即可工作。信号隔离电路如图3所示，控制信号由接口J1接入芯片ISO3082，经过转换与隔离，通过接口J2与设备通信。ISO3082实现RS－485收发功能框图如图4所示，由图4可以得出芯片ISO3082实现RS－485通信的收发真值表。

图3 信号隔离电路

4 ISO3082实现RS-485收发功能框图

表1 接收真值表

表2 发送真值表

4 通信接口电路制作

使用Protel设计了电路的原理图[4]（图略——编者注）。为节约成本，使用单面覆铜板腐蚀方法手工制作电路板，因此在绘制电路板时，对相应的导线进行了适当加粗。选择30mil宽度，焊盘直径设定为80mil，过孔直径为30mil。

打印电路图时只选择PCB的Toplayer层和Multi－Layer层的Top、Bottom、Double Sided和 Holes层。将板图用激光打印机打印到热转印纸上的光面上，用透明胶带将已确定好位置的图纸（光面贴着覆铜面）的一边固定到覆铜板上；然后将固定的一边放进温度达到170℃左右的塑封机中[4]，看准时机（完全压过图纸，而覆铜板仍夹在塑封机滚筒间）按反向按钮5次；等温度下降以后，慢慢揭下热转印纸，观察墨迹是否完全转印到覆铜板上，若有连接线，则断开用记号笔补上。

将热转印好的覆铜板放进三氯化铁溶液进行腐蚀，大约25min后腐蚀完成。取出线路板清洗掉线路表面的墨迹，在需要钻孔的地方根据元器件的情况选择合适直径的钻头进行打孔。最后将电路元件装配电路板上进行焊接。

5 RS-485收发测试

为了检测ISO3082的RS－485收发功能，进行如下测试。首先，使DE和短接后置低电平，通过单片机的RS－485通信口输出数据，接入A、B信号，从R测试点测试R端输出波形。波形验证了ISO3082从总线上接收数据的能力，能很好地保持波形的完整性，并且隔离掉了上升沿和下降沿的瞬时抖动。

最后，用单片机通过ISO3082的RS－485收发器发送一个十六进制数0xa6，8位数据，1位停止位，波特率为25 kbps，分别测量D、DE、A－B信号波形。再用收发器接收该数据，测量A－B差分信号的R信号波形。可以看出，基于ISO3082的收发器很好地实现了RS－485通信。

结 语

经过实验验证，由ISO3082为核心的隔离RS－485收发器，在传输速度为200kbps以下时完全能满足要求。本文设计的RS－485通信接口电路简单、体积小、性能可靠、使用方便。在对传输速度要求较高或要求全双工收发的场合，可以选用同一系列的隔离芯片ISO3088，其传输速度为20Mbps。同样的传输速率下，ISO3088能实现全双工收发。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

[1] 穆斌，罗珣.RS－485总线网络应用中的安全与可靠性[J].光学精密工程，2003，11（2）：90－94.

[2] 杨新华，张勇胜，包广清，等.一种无源隔离型RS－485通信接口的设计和应用[J].化工自动化及仪表，2002，29（3）：50－51.

[3] 虞日跃，史洪源.RS－485总线的理论与实践[J].电子技术应用，2001（11）：55－57.

[4] 杜刚.电路板设计与制作：Protel应用教程[M].北京：清华大学出版社，2010.