光纤485通信控制系统研究

关键词：485 通信；电气设备；变频器；通信板

中图分类号：TN914 文献标识码：A

0 引言

光纤485通信控制系统是一种基于光纤通信技术和485 通信协议的控制系统，具有抗干扰能力强、传输距离远、传输速率高等优点[1]，其可实现远距离、可靠的实时数据传输和设备控制[2]。目前，很多变频器、可编程控制器等设备都带有推荐标准（recommended standard，RS）485 接口[3]。随着科技进步，现有设备需进行自动化和智能化升级以适应智能生产。在复杂电磁环境中，由于干扰强度大，信号传输的准确性难以保证。尽管RS485 接口采用差分信号传输技术以降低干扰影响，但在长距离数据通信中仍存在一定的局限性。为了有效克服这一问题，可以采用光纤通信技术，该技术凭借其高数据传输容量以及对电磁干扰的高度免疫特性，已成为解决通信干扰的关键策略。鉴于多数设备配备RS485 接口，将RS485 差分信号转换为光纤传输信号，不仅显著提升了变频器在极端环境下的多种能力，还增强了系统的稳定性和可靠性。这种转换技术有效地提高了信号的抗干扰能力和传输距离，使得变频器等电气设备能够在高温、高湿、强电磁干扰等恶劣条件下稳定运行。

对于研究和开发RS485 差分信号转换为光纤传输的控制系统，这款通信板具有重要的实际意义。其不仅为变频器等电气设备提供了强大的通信支持，也进一步推动了RS485 差分信号转换为光纤传输的技术发展，为工程实践中的通信系统设计提供了新的思路和方法，以提高通信系统的性能和可靠性。

1 变频器及485光纤通信板介绍

1.1 变频器运行结构

图1为运行变频器的结构框图，其揭示了光纤通信板在实现长距离双向通信中的关键作用。在现代工业控制系统中，变频器是调节电机转速的重要设备，而主机与从机之间的通信是实现精确控制的前提。然而，传统的电气信号传输方式在长距离通信中面临信号衰减和干扰等问题，这限制了变频器系统的应用范围和性能。

为了克服这些问题，应用了光纤通信板。在主机侧，RS485 差分信号先通过485 收发电路被转换为晶体管—晶体管逻辑（transistor-transistorlogic，TTL）电平信号，这些电平信号再通过光纤转换电路进一步被转化为光纤信号。光纤信号通过光纤介质进行传输，由于光纤具有极低的信号衰减和出色的抗电磁干扰能力，因此可以在不损失信号质量的情况下，实现远距离的信号传输。在从机侧，接收的光纤信号再次通过光纤转换电路被还原为TTL 电平信号，这些电平信号通过485 收发电路转换回RS485 差分信号，供变频器从机使用。该方案可以实现主机和从机之间通过光纤通信板进行稳定、可靠的双向通信。

通过这种方式，光纤通信板不仅确保了信息的高效传递，还提高了系统的抗干扰能力和传输距离，从而提升了变频器系统的整体性能。这种光电信息转换技术的成功应用，为工业控制系统提供了更加灵活和高效的通信手段，有助于推动工业自动化和智能化的进一步发展。随着技术的不断进步和成本的降低，光纤通信板在工业控制领域的应用将更加普遍，从而为各种远程控制和监测应用提供强大的通信支持。

1.2 光纤通信板工作原理

图2展示了光纤通信板的结构，包括供电电路、485收发电路和光纤转换电路。该通信板在光纤通信系统中具有至关重要的作用，它将RS485 差分信号转换为TTL 电平信号，再转化为光纤信号进行发送，并逆向还原接收的光纤信号，实现主机与从机间的通信。

供电电路是光纤通信板的重要组成部分。它为整个通信板提供稳定的电源，并隔离电源与通信信号，从而避免电源干扰对通信信号的影响。供电电路的设计可以提高通信系统的可靠性和稳定性。

485收发电路是光纤通信板的另一个关键部分。它负责接收和发送RS485 差分信号。RS485是一种常用于工业通信的串行通信协议，具有传输距离远、抗干扰能力强等特点。485 收发电路将接收到的RS485 差分信号转换为TTL 电平信号，或将TTL 电平信号转换为RS485 差分信号发送出去。

光纤转换电路是光纤通信板的核心部分。它将TTL 电平信号转换为光纤信号发送，并逆向还原接收的光纤信号。光纤通信具有高速、大带宽、低损耗等优点，因此其在长距离通信和高速数据传输中得到广泛应用。光纤转换电路的设计可以实现光纤信号与TTL 电平信号之间的有效转换，确保通信的可靠性和稳定性。

2 硬件电路设计

设计光纤通信板需充分考虑在恶劣电磁环境下实现稳定通信的需求，为实现这一目标，应考虑电气隔离、抗干扰、低功耗等特点，并且需要设计隔离供电以保证供电的稳定性，最重要的是光纤通信板需实现RS485 与光纤信号的转换。

2.1 供电电路设计

本文供电芯片选择了LM2576R-ADJ，LM2576R是一种具有调节功能的降压型直流转直流（DCDC）芯片，适用于各种电子设备。它是由得州仪器公司（TI）生产的一款集成电路芯片，具有较高的电源转换效率，可以将高电压转换为低电压，同时减少能量损耗，芯片的电路能够有效隔离电源与通信线路，减少干扰，提高通信稳定性。图3 为供电电路，该电路包括输入和输出滤波以及隔离电源，将芯片的输入引脚（VIN）接到高电压源上，再将输出引脚（VOUT）连接到需要稳定电压的电路上，同时连接电容和电感。通过调整反馈引脚（FB）的电压来调整输出电压，输出电压与反馈引脚上的电压成反比，从而将9 ～ 36 V 的输入电压转换为5 V 隔离输出电压，以提升系统性能、增加设备安全。

2.2 485收发电路和自使能电路设计

图4 中的SCIR 引脚负责接收信号、SCIT 引脚负责发出信号、RTS 引脚负责请求发送。485 收发电路和自使能电路设计包含3 个主要部分：自使能模块、485 收发器和保护滤波单元，其能够有效实现485 收发电路与自使能功能的集成。自使能模块负责控制电路的激活与休眠，可以降低能耗。485收发器则是电路的核心，负责将差分信号与TTL电平信号相互转换，实现数据的收发。保护滤波单元则起到了保护电路的作用。该设计既考虑了电路的功能性，又注重了电路的可靠性和抗干扰能力。其中，二极管用于防过压，三极管作为开关来控制信号传输。485 总线通过精心设计的滤波和保护电路，将信号传输至通信芯片。这些电路有助于消除噪声和干扰，确保信号的清晰度和完整性。

3 电路工作过程分析

485总线下的各个从属装置均需要具有自身的特殊网址，主机经过从机地址完成识别和通信[4]，图4 详细展示了光纤通信板的工作原理，通过使用光信号进行主机与从机间的信息传输。首先，主机发出通信命令，之后将差分信号转换为电平信号。其次，驱动芯片SN75451B 和光纤发送器HFBR-1521 将这些电平信号转换为光信号，并且通过光纤发送至另一块光纤通信板。在接收板上，收发器U3 将光信号还原为电平信号，并输出差分信号至从机。从机接收到信号后进行响应，并将反馈信号传回主机，从而完成了整个信号转换和远程通信过程。这种通信方式不仅提高了数据传输的稳定性和可靠性，还具有较强的抗干扰能力和较高的传输速率，适用于远距离、复杂环境下的通信需求。这种转换技术使得信号能够在长距离和干扰较强环境中稳定传输，从而保证了数据的准确性和实时性。远程监控和控制能力的增强，使得操作人员能够在安全距离内对关键设备进行监测和管理，减少了现场人员的需求，降低了安全风险。

4 实验结果分析

通过示波器分别检测光纤通信板的原始波形，包括：①收发器在接收到差分信号后，通过内部的信号处理，将其转换成的标准TTL 电平信号形式；②收发器是否处于激活状态的信号波形；③在光纤通信板接收端，将光信号转换回电信号后，通过收发器处理输出的TTL 电平信号。在没有通信时，自使能信号保持低电平，接收信号为高电平，发送端处于高阻状态。通过观察工作状态下的正常工作波形，结果显示正确脉冲，设计的光纤通信板实现了预期的功能。

通过示波器检测光纤通信板数据波形图。当485收发器的使能端处于低电平状态时，该收发器便启动工作，开始接收上位机发出的信号。这些接收到的信号经过处理后，被转换成光纤信号，并通过收发器的1 脚输出，最终传输至从机。这种信号的转换过程是光纤通信板能够实现远距离、高质量数据传输的关键。

结果显示正确脉冲，主机已经成功接收到变频器返回的信号，这对于确保通信的可靠性和稳定性至关重要。

5 结论

本文设计了一种光纤通信板，用于替代传统双绞线，在设计过程中，主要考虑保持硬件的简洁性，在不增加额外硬件负担的前提下，实现光纤与RS485 数据的转换。通过设计的电路，本文成功地将RS485 差分信号转换为光纤信号，并且在接收端将光纤信号还原为RS485 差分信号，通过实验证明了其稳定性和抗干扰能力。光纤通信板的供电电路也是设计中的重要一环，其具有良好的隔离和保护能力，使得光纤通信板能够在各种电源环境下稳定工作，进一步提升了系统的安全性和可靠性。这种供电电路的设计不仅适用于RS485 通信设备，还可以根据需求轻松地扩展支持RS232 和RS422 信号的长距离通信，具有显著的实用性和推广价值。