波特率自适应RS—485中继器的设计

周德君

摘要：RS4-85通讯在工业控制及自动化仪表中被广泛采用，它具有电路结构简单，抗干扰能力强，传输距离远等特点。 RS-485 总线网络只能以总线型进行布线，网络不能出现分支，因此对实际布线设计及施工造成很大难度。本文介绍了一款波特率自适应RS-485总线中继器电路，该电路可以实现总线隔离、分支、扩展等功能，有效改善了电路拓扑结构，提高可靠性及适应能力，为工程施工带来极大的便利。

关键词：SP485接口芯片 电气隔离 光耦 浪涌抑制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0179-01

RS-485标准是由电子工业协会（EIA）和通讯工业协会（TIA）两个行业协会共同开发和制订的。RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范规，已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。485通信接口允许在一对双绞线上实现主从结构的多点双向通信，即一个主站，若干个从站[1]。它具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。因此，许多领域都采用RS-485作为数据传输链路。如工业控制、智能仪表、智能楼宇等。RS-485总线采用终端匹配的总线型结构拓扑结构，用一条连续的通讯总线将各个节点串联起来。总线上的每个引出节点分支电缆长度应尽可能的缩短，以降低分支电缆的反射信号对总线的影响。采用485分支器可以将总线连接变为星形连接，消除分支电缆信号反射对总线的影响，优化了网络拓扑结构。

本分支器电路主要由485接口芯片、光耦、防浪涌电路、隔离电源及相关的阻容元件构成。该电路可以自动识别并切换总线数据流方向，自动适应总线波特率的变化，同时还具有电气隔离和防雷防浪涌的功能。

1 485接口芯片

485接口芯片采用Sipex公司增强型低功耗半双工SP485芯片[2]。SP485满足RS-485和RS-422规范，数据传输速率高达5Mbps。SP485采用SOIC8及PDIP8两种封装形式，图1为SP485的引脚配置图。1#脚RO为接收器输出，2#脚/RE为接收器使能端，3#脚DE为发送器使能端，4#脚为发送器输入，5#脚为GND，6#脚为同相发送器输出/接收器输入，7#脚为反相发送器输出/接收器输入，8#脚为VCC。

2 电路原理

电路原理见图2，U1、U4为485接口芯片，U2、U3为光耦，R1、R10和R2、R9分别为总线上拉及下拉电阻。图中U1、U4收发使能端短接，分别通过光耦受总线另一侧的芯片的输出端控制。R4、R8为接收器输出下拉电阻、R5、R7为输出限流电阻，电容C1、C2为接收器RO输出端的抗干扰电容。

当总线电平A1大于B1 0.2V时，U1的RO端输出为高电平，光耦U3输出端截止，U4的收发使能端DE、/RE通过电阻R6下拉接地。此时U4的接收端处于接收状态，驱动器输出为高阻态。由于电阻R9、R10的作用，使的总线电平A2大于B2。

当总线电平为A1小于B1 0.2V时，U1的RO端输出为低电平，光耦U3输出端导通，U4的收发使能端DE、/RE拉为高电平。此时U4的接收端处于高阻状态，驱动器输出有效。由于数据输入端DI接地，驱动器输出A低，B高，总线上的电平A2小于B2。

当数据传送结束后，总线接口A、B端上拉电阻及下拉电阻的作用使得RS-485芯片自动回到接收状态，无论总线哪一侧来数据均可自动响应。由于RS-485芯片接收和发送使能控制信号均由总线通讯数据本身自动产生，不需要额外的控制电路及延时电路，数据流向自动切换，数据通讯实时透明传输，不受总线波特率变化的影响。

3 保护电路

采用光耦等形式的电气隔离虽然能有效的抑制共模干扰，但对于总线上的浪涌电流、通讯线与电源短路、雷击等潜在危害，所以本电路的总线端采取一定的保护措施。

R11、R12、R13、R14为PTC保护限流电阻，通常阻值不大于10Ω。总线两侧A、B通过TD1-TD4为TVS浪涌电流抑制器[3]接地，TVS也可以用相应电压等级的稳压二极管代替。PTC电阻也可以用自恢复保险丝代替。根据需要也可以增加防雷管。但过多的增加保护元件会增加总线A、B两端的线间电容，造成信号波形畸变，影响整个总线负载节点数与通信稳定性。

4 电源电路

电源电路采用了集成稳压隔离电源模块，省下电源系统的开发时间，缩短了产品的设计开发周期。图3为电源电路原理图。图中D1为防反接二极管，避免电源反接造成器件损坏，C3、C4、C9为滤波电容。C5、C6、C7、C8为抗干扰电容，可以有效的降低电源线上共模电压的干扰，提高电源系统的可靠性。

5 结语

采用中继器的RS-485网络可以彻底改善总线形网络拓扑结构的限制， 优化了网络结构，提高了通讯驱动能力，延长了传输距离。隔离型中继器还可以有效的消除总线上的共模电压的干扰，提高系统抗干扰能力，避免某一通讯节点损坏影响到整个网络的情况。

参考文献

[1]汪献忠，刘巍，吕运鹏.基于MODBUS协议的工业智能通讯模块的设计[J].仪表技术与传感器，2006（6）：47-49 .

[2]SP481R/SP485R Data Sheet[Z].SIPEX Integerated Products.

[3]张金豪.TBU在RS485通讯防雷中的运用[J].煤矿安全，2013（2）：117-118.