RS485串行通信接口电路的设计与应用

第22卷第3期 2009年6月 常州工学院学报 JournalofChangzhouInstituteofTechnology V01．22No．3 Jun．2009 RS一485串行通信接口电路的设计与应用 潘群1 向军2王琳1 (1．常州工学院计算机信息工程学院，江苏常州213002；2．常州高新区出口加-rtg投资开发有限公司，江苏常州213031) 摘要：文章主要阐述了RS一485总线通信的特点以及使用光电耦合器件设计RS一485总线接 口电路的方法。对RS一485总线应用中易出现的问题进行了归纳总结和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，并结合接口电路的 设计给出解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。着重讨论了接口电路中主要器件的选择及参数的确定，同时提出了相应的抗 干扰措施，以及在接1：7电路中的实现方式。 关键词：异步串行通信；RS一485；光耦；隔离电路 中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1671—0436(2009)03—0038一05 DesignandApplicationofRS一485SerialCommunicationInterfaceCircuits PANQunlXIANGJun2WANGLinl (1．SchoolofComputer&InformationEngineering，ChangzhouInstituteofTechnology，Chaagzhou213002； 2．ChangzhouHi-techDistrictExportProcessingZoneInvestment＆DevelopmentCo．Ltd．Changzhou213031) Abstract：Thispaperstronglyemphasizescomponentselectionandparametercomputationtomeetper- formancetradeoffsrequirement．Inthispaper，somemeasuresforenhancingserialcommunicationstabilityof RS一485standardarediscussedandimplementedintheinterfacecircuits．Inaddition，thispaperpresentsthe featuresandappliedfieldsofthreenetworkdesigntopologies，aswellassomeattentionsaregiveninpointof networkwiring． Keywords：asynchronousserialcommunication；RS一485；opt—coupler；isolatedcircuit RS一485是串行数据接口的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，是为弥补 RS一232通信距离短、速率低等缺点而产生的，是 在RS一422基础上制定的标准，增加了多点、双 向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总 线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护 特性。RS一485标准只规定了平衡发送器和接收 器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用 层通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。它与RS一232不同，数据信号采用 差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞 线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，A、B之 间的正电平在+2～+6V， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示逻辑状态“l”；负电 平在一2～一6V，表示逻辑状态“0”。RS一485标 收稿日期．'2009·04—14 作者简介：潘群(1980一)，男，讲师。 准的最大传输距离约为1200m，最大传输速率为 10Mbps⋯。通常，RS一485网络采用平衡双绞线 作为传输介质。平衡双绞线的长度与传输速率成 反比，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定 最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得 最高速率传输。一般来说，100m长双绞线最大 传输速率仅为1Mbps。如果采用光电隔离方式， 则通信速率一般还会受到光电隔离器件响应速度 的限制。 利用RS一485标准，可以建立一个相对经济、 具有高噪声抑制、高传输速率通信平台，该平台同 时具有传输距离远、宽共模范围、控制方便等优点。 万方数据 第3期 潘群，向军，王琳：RS一485串行通信接口电路的设计与应用 39 在过去的二十多年，建议性标准RS一485作 为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在 许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我 国应用的现场网络中，RS一485半双工异步通信 总线被广泛应用在集中控制枢纽与分散控制单元 之间的场合。在工程应用中，由于设计者使用的 芯片、接口电路设计的差异，往往在很大程度上影 响了串行通信系统之间的相互关联，并且影响到 整机及系统之间的综合。因此，对接口电路的设 计以及布线方式处理在应用中显得尤为重要。 1接口电路的设计 在应用系统中，RS一485半双工异步通信总 线是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线， 它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之 间。由于实际应用系统中，往往分散控制单元数 量较多，分布较远，现场存在各种干扰，因此通信 的可靠性不高，再加上软硬件设计的不完善，使得 实际工程应用中RS一485总线通信的可靠性与 稳定性都得不到很好的保障，可能会导致通信数 据收发错误；严重时会使整个系统的通信网络崩 溃，给故障的排查带来困难。 目前，RS一485接口电路的设计主要采用：非 隔离式和隔离式。由于该总线多应用于现场比较 复杂的场合，这些场合环境恶劣、干扰因素较多， 为了避免总线通信对主控系统的影响，所以多采 用隔离方式来进行接口电路的设计。隔离方式的 实现有两种途径：①使用数字隔离器件；②使用光 耦器件。使用数字隔离器设计的电路虽然比较简 单，但是成本较高，实际应用较少。在使用光耦器 件设计RS一485总线接口电路时，如果简单的按 常规方式设计电路，在实际工程中可能会有以下 问题出现：①由于电路本身参数选择不正确导致 的通信不可靠；②由于各种干扰造成的通信出错。 结合这两个方面的问题，对使用光耦器件如何设 计RS一485接口电路进行讨论。 如图1所示，接口电路主要由：RS一485接收 发器与光耦器件组成。接收发器常用SN75176。 在应用系统中，由于要对现场情况进行实时监控 及响应，通信数据的波特率往往做得较高(通常 在4800bps以上)。限制通信波特率提高的“瓶 颈”，不是现场的传输介质(现场施工一般使用5 类非屏蔽的双胶线)，而是与总线系统进行信号 隔离的光耦电路。光耦的选择相对复杂，其重要 参数：上升时间、下降时间以及电流传输比是选型 的主要依据。 上升与下降时间与波特率有关，即光耦的选 择影响着RS一485的通信速率，选择时要求上升 与下降时间不能大于最小位时间宽度(最大波特 率对应的传输1个二进制位所用的时间)的 30％，例如，我国制定的DL／T645标准中指定最 大的波特率为100kbps，则： 1 {‘^”，f脚1}≤30％ioo)=3斗8 (1) 即上升与下降时间最大为3“s。 因此，必须尽量选择上升与下降时间快的光 耦来提高RS一485通信的最大传输速率(波特 率)。 电流传输比是光耦输出电流与输入电流的比 值，它与光耦的驱动能力以及逻辑电平有关。正 常工作时，必须保证光耦能有效、快速地在逻辑电 平之间切换。通常光耦的电流传输比在15％一 300％之间。图1中，光耦1与光耦3负责数据的 发送与接收，如果要求通信波特率较高，建议使用 高速的光电耦合器，如，6N136、6N137等。而图1 光耦隔离电路中光耦2负责将接收／发送使能信 号隔离，所以一般的光耦便能满足要求，如， TLP521等‘引。 隔离RS一485接口电路由两个完全独立的 电源供电，一是微控制器系统的供电电源K岫，一 般为3．3V或5V；二是RS一485总线部分的供 电电源K。。，一般为5V。两路电源的地线之间是 完全隔离的，在这里可以使用隔离的DC—DC模 块实现¨1。 电阻尺2、尺3、尺5对光耦发光管起限流作用， 如果阻值太大，会使光耦的发光管由截止进入饱 和变得较慢；如果阻值选取过小，将会导致输出三 极管深度饱和，使得退出饱和也会很慢。所以这 组电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱 动电路使得3个限流电阻的数值略有差异，这一 点在电路设计中要特别慎重，不能随意，通常可以 由式(2)来确定： 万方数据 常州工学院学报 2009拄 接收／ 图1使用光耦器件的RS一485接口电路设计图 肛半 (2) 式(2)中％为电源电压；％为光耦发光管的正 向导通电压；厶为光耦发光管的正向导通电流，一 般为5～16mA，具体数据可查询相关器件手册。 电阻R1、R4、R6为光耦的偏置电阻，通过它 可以设置光耦输出电平的电压范围，满足： PD圳=％一(‘‘CTR)RB淞一0(3) PO}ⅡGH=k一(如‘CTR)RBIAs—Kc(4) 其中，PO。ow为光耦输出低电平电压，PDⅢGH 为光耦输出高电平电压，CTR为光耦的电流传输 比，Bw即为偏置电阻。 在应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线 路的总长度往往超过400m，而分机系统上电或 复位常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个 SN75176的DE端电位为“1”，那么它的RS一485 总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信 总线，这样，其他的分机就无法与主机进行通信。 这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下 (死机)，会使整个系统通信崩溃。因此在电路设 计时，应保证系统上电复位时SN75176的DE端 电位为“0”。由于大多数微控制器在复位期间， 接q殳／发送使能控制端口(I／O口)输出为高电平 或为输入状态，所以，图1中光耦2电路的接法能 L一．L，J 有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。 输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种 干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较 复杂，现场常有不同的干扰源，所以RS一485总 线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中 采用D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗 浪涌的6．8V双极性TVs瞬态杂波抑制器件，或 者直接选用能抗雷击的RS一485芯片(如 SN65LBCl84等)，则D1与D2可省去。 考虑到线路的特殊情况，如某一台分机的 RS一485芯片被击穿短路，即差分总线发生短路， 为防止总线中其他分机的通信受到影响，在 SN75176的RS一485信号输出端串联了2个4～lO Q的PTC电阻肼、尺8。这样某一结点的硬件故障 导致A、B短路，不会使整个总线的通信受到影响。 在现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的 特性阻抗为120Q左右，所以线路设计时，在 RS一485网络传输线的始端和末端应各接1只 120Q的匹配电阻，如图2中R11，以减少线路传 输信号的反射。 由于RS一485芯片的特性，接收器的检测灵 敏度为±200mV，即差分输入端K一％≥+200 mV，输出逻辑“1”，K一％≤一200mV，输出逻 万方数据 第3期 潘群，向军，王琳：RS一485串行通信接口电路的设计与应用 4l 辑“0”；而A、B端电位差的绝对值小于200mV 时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被 禁止时，接收器输出逻辑“O”，这会误认为通信帧 的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是 人为地使A端电位高于B两端电位，这样RXD 的电平在RS一485总线不发送期间(总线悬浮 时)呈现唯一的高电平，微控制器就不会被误中 断而收到乱码。如图1中防雷及抗浪涌电路部分 所示，通过在RS一485电路的A、B输出端加接上 拉、下拉电阻R9、R10，阻值为1kl-b／0．25W，即可 很好地解决这个问题。 2 工程应用 在工程实际应用中RS一485布线组网有多 种拓扑结构，如线型、环形，星型等。 2．1线型连接 图2所示，从上位主机开始自近及远将多台 RS-485通信设备—个接一个连入网络，即常说的 “手拉手”方式。这种连接方式适合测量点分布较 为集中、未来又有扩展需要的场合。图2中终端匹 配电阻“厨”阻值为120～300IV0．25W，典型值为 120Q。它一般安装在一条线路的最后一台设备 上，但是否需要安装要视具体的通信质量而定，即 通讯质量很好情况下可以不安装此电阻。在短距 离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电 阻，即一般在300m以下、低于19200bps不需终端 匹配电阻。终端匹配电阻安装在RS一485传输网 络的两个端点，并联连接在A、B引脚之间。 主机 RS-232／485转换器 屏蔽双绞线 设备 设备 设备 图2线型连接布线图 2．2环形连接 如图3所示，环形连接是将多台RS一485设 备连接成闭合的环状，然后从一点连接到上位主 机。这种连接方式适合于子机分布相对集中、可 靠性要求较高的情况，无需安装终端匹配电阻。 2．3星形连接 如图4所示，从上位主机一点连出多条线路， 画 ’=宣一 主机 RS-232／485转换器 屏蔽双绞线 图3环型连接布线图 成放射状，称为星形(Y型)。这种连接方式适合 于子机分布较分散的情况，此方式有较好的可扩 展性。 主机 设备 设备 设备 图4星型连接布线图 RS一485总线接线输出端子为A+，B一和 GND(信号地)。在可能存在大的地电位差的场 合，必需将每台设备的GND端子短接在一起，并 在主机处单点接地。当收发器使用DC—DC隔 离电源，与信号隔离时，屏蔽线应当接一个高耐压 的0．1心电容后再并入～个1MI)电阻，接到收 发器的GND端口，网络上每个节点都这样接。 然后在网络中，选择一个设备的机壳与屏蔽线相 连，或者在屏蔽线的某个地方把屏蔽层接地，形成 单点接地，防止地回流。 RS一485的传输介质为屏蔽双绞线，通信距 离可达1200m，当一条线路上连接的RS一485 设备较多，或者使用波特率较高时，通信距离就会 相应缩短。设备一般在系统中作为从机，上位机 可以是PC机、PLC、数据集中器或RTU等设备。 如果上位机不带RS一485接口而只有RS一232 接口，可通过RS一232／485转换器进行连接。为 提高通讯质量，应该注意以下几点： 1)优质的屏蔽双绞线是非常重要的，推荐使 用AWG22(0．611'111"12)或更粗线径的线，两条绞线 万方数据 42 常州工学院学报 2009矩 为不同颜色； 2)必须注意屏蔽层的单点接地问题。也就 是一条通讯线路上屏蔽层有且仅有一点接大地； 3)一条通讯线路上每台设备的RS一485通 信接口必须是A+接A+，B一接B一，不可接反。 连接线拓扑结构中建议使用本文之范例形 式，避免连成“T”形结构。所谓“T'’形连接，是指 在一条线路的非起始点又连人分支线路的连接 方式； 4)通信线路的铺设要尽量远离强电信号等 电磁干扰源； 5)应选用带有光电隔离和浪涌保护的优质 RS一232／485通信转换器。 3 结语 RS一485接口电路设计方法以及布线方式已 经在常州市出口加工区智能系统中得到应用，系 统性能稳定，整机性能满足现场工程的需要。该 接口电路具有良好的抗噪声干扰性，传输距离远 和多站点能力，因此能够广泛应用于要求通信距 离几十米到上千米的场合中，加上总线收发器具 有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输 信号能在千米之外得到恢复。由于RS一485总 线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典 型的集中一分散型控制系统(分布式控制系统)。 一旦主机出现故障，会使整个系统通信陷于瘫痪 状态，因此做好主机的在线热备份是一个重要措 施。尽管RS一485总线存在一些问题，但由于它 的线路设计简单、价格低廉、控制方便，只要具有 合理的接口电路设计，在很多场合仍能发挥优良 的作用。 [参考文献] [1]TexasIns恤l=mentsIncorporated．RS一485forE-MeterApplica- tions[EB／OL】．[2008—08—1l】．http：／／focus．ti．cona／lit／ an／sllal12a／sllal12a．pdf． [2]MaximIntegratcdProducts，lnc．ConsiderationsforSelectingan ItS一485TransceiverinElectronicPowerMeters[EB／OL】． [2008—04—19]．hup：／／www．maxim—ie．com．cn／pdfserv／ en／an一／AN3776．pdf． [3]张欣，李爱军，单鹏．RS-485电路和保护性设计研究[J]．航 空计算机技术，2007(5)：17一19． 责任编辑：张秀兰 万方数据 RS-485串行通信接口电路的设计与应用 作者： 潘群， 向军， 王琳， PAN Qun， XIANG Jun， WANG Lin 作者单位： 潘群,王琳,PAN Qun,WANG Lin(常州工学院计算机信息工程学院,江苏,常州,213002)， 向军 ,XIANG Jun(常州高新区出口加工区投资开发有限公司,江苏,常州,213031) 刊名： 常州工学院学报 英文刊名： JOURNAL OF CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，22(3) 引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.Texas Instruments Incorporated RS-485 for E-Meter Applications 2008 2.Maxim Integrated Products Inc Considerations for Selecting an RS-485 Transceiver in Electronic Power Meters 2008 3.张欣.李爱军.单鹏 RS-485电路和保护性设计研究 2007(05) 相似文献(10条) 1.期刊论文 吕伟强.刘舒书.于颖韬.杨爱武.L(U) Wei-qiang.LIU Shus-hu.YU Ying-tao.YANG Ai-wu 基于RS- 485总线的大功率激光电源控制系统 -激光与红外2009,39(3) 结合一种大功率激光电源的分布式数据采集和控制系统,分析了RS-485总线在大功率激光电源控制系统应用中可能出现的干扰和通信速率低等方面的 问题,并提出了相应的硬件和软件解决方案. 2.期刊论文 周红静 基于RS-485的智能电表通信模块设计与实现 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在软件控制上，建立了管道坐标系和机器人坐标系，在两个坐标系之间，定义了机器人的姿态角，给出了机器人可能的几种姿态，并对几种姿态给 出了相应的软件控制策略。对于倾角传感器的输出和输入之间的非线性，合理的进行了曲线拟合，优化了检测系统；建立了手动和自动两套控制策略 ；提高了系统的可靠性。细化了上、下位机的执行任务，上位机主要负责机器人的上层控制策略和算法；下位机执行上位机的命令，上传机器人姿态。 制定了RS-485异步串行通信协议，完善了通信系统。 通过管道机器人的行走速度测试、转弯半径测试、管道内壁滑动摩擦系数测试和越障能力等试验，结果表明，机器人能达到预期的设计目标。验证 设计的合理性、可行性。机器人在壁面行走时，操作方便，性能稳定、可靠。获得了机器人管道作业参数，为管道机器人的动力系统分析提供了依据。 文中的研究成果可为履带式机器人的研究提供参考。 10.期刊论文 王勇.WANG Yong 基于TMS320LF2407A的变频器与上位机串行通信研究 -深圳信息职业技术学院学报 2006,4(2) 在变频调速系统中,为实现变频器与上位机的远距离通信,通常采用串行通信方式.在详细分析了串行数据接口标准(RS-232、RS-485)的基础上,设计 了上位机RS-232到RS-485的转换电路,并给出了基于TMS320LF2407A的变频器和上位机进行远距离串行通信的硬件接口电路、通信协议及软件设计方法,给 出了上位机与下位机串行通信接口程序的初始化代码,同时阐述了如何通过VC++6.0中MSComm控件编写上位机串行通信程序. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_czgxyxb200903010.aspx 下载时间：2010年5月26日