一、什么是485隔離電路?

RS-485是一種常用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、樓宇自動化、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。在某些應(yīng)用中，為了防止電氣噪聲干擾或電氣沖擊，需要對RS-485接口進行隔離。以下情況需要485隔離：

1.RS485外部接口連接高電壓時，容易損壞后端電路，甚至在使用端產(chǎn)生觸電。

2.RS485的通信節(jié)點距離太遠時，每個節(jié)點的參考地都接于本地的大地，當(dāng)兩端大地之間存在較大的壓差時，地電勢會以共模電壓的方式疊加在信號線上，可能超出端口可承受的共模電壓范圍，影響正常通信，甚至?xí)p壞后端電路。

3.距離較遠的485通信節(jié)點之間的地平面利用線纜進行連接時，地線會和大地形成地環(huán)路，耦合外部共模噪聲，產(chǎn)生地環(huán)路電流，可能會導(dǎo)致整個電路系統(tǒng)失效。

示例圖(僅供參考)

二、有哪些方法可以實現(xiàn)485隔離?

想要做到485電路上的隔離需要采用隔離器件，如光耦隔離器、磁隔離器、隔離芯片等。光耦器是最常用的隔離器件，且成本較低。光耦的速率要滿足波特率的要求，一般選擇高速光耦做485隔離。隔離芯片相對于光耦，PCB面積更小，但成本也更高。常使用的隔離芯片方案一般有專用數(shù)字隔離芯片、集成式485隔離芯片和帶電源的隔離芯片。

具體實現(xiàn)步驟如下：

1.使用隔離器：首先，需要選擇一款適合的隔離器。常見的RS-485隔離器有ADI的ADM2483、TI的ISO3082等。這些隔離器通常集成了RS-485收發(fā)器和隔離電源，可以提供高達2500V的隔離電壓。

2.電源設(shè)計：隔離器需要兩個獨立的電源，一個用于隔離前的電路(如MCU)，一個用于隔離后的電路(如RS-485總線)。隔離電源可以使用隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。

3.接口設(shè)計：RS-485接口通常需要一個120歐姆的終端電阻，用于抑制信號反射。此外，還可以添加TVS二極管和磁珠，用于防止靜電放電和濾除高頻噪聲。

4.布線設(shè)計：為了減少電磁干擾，RS-485的A、B線應(yīng)該盡可能地走在一起，且盡量遠離高速或高電流的信號線。

5.軟件設(shè)計：在軟件中，需要正確設(shè)置RS-485收發(fā)器的工作模式(如半雙工或全雙工)，并根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位。

我們需要注意的是，具體的設(shè)計可能還需要根據(jù)實際的應(yīng)用需求和環(huán)境條件進行調(diào)整。同時還需要注意隔離器件的選型和質(zhì)量，確保隔離電路的穩(wěn)定性和可靠性。

三、485隔離電路的作用

提高通信的可靠性和穩(wěn)定性：隔離電路可以防止電氣噪聲和電氣沖擊對系統(tǒng)造成干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

保護設(shè)備安全：防止高電壓沖擊對設(shè)備造成損壞，從而保護設(shè)備的安全。

提高信號質(zhì)量：隔離電路可以減少信號傳輸過程中的干擾，從而提高信號的質(zhì)量。

擴展系統(tǒng)距離：RS-485接口可以支持長距離的數(shù)據(jù)傳輸，而隔離電路可以進一步擴展這個距離。

提高系統(tǒng)靈活性：使得系統(tǒng)在設(shè)計和布局上更加靈活，可以根據(jù)需要將設(shè)備放置在不同的位置。

兼容性好：RS-485隔離電路方案可以與各種設(shè)備和系統(tǒng)兼容，方便系統(tǒng)的集成和擴展。

在電參數(shù)儀的設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集由單片機AT89C52負責(zé)，上位PC機主要負責(zé)通信(包括與單片機之間的串行通信和數(shù)據(jù)的遠程通信)，以及數(shù)據(jù)處理等工作。在工作中，單片機需要定時向上位PC機傳送大批量的采樣數(shù)據(jù)。通常，主控PC機和由單片機構(gòu)成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相距較遠，近則幾十米，遠則上百米，并且數(shù)據(jù)傳輸通道環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常有大容量的電器(如電動機，電焊機等)啟動或切斷。為了保證下位機的數(shù)據(jù)能高速及時、安全地傳送至上位PC機，單片機和PC機之間采用RS485協(xié)議的串行通信方式較為合理。

實際應(yīng)用中，由于大多數(shù)普通PC機只有常用的RS232串行通信口，而不具備RS485通信接口。因此，為了實現(xiàn)RS485協(xié)議的串行通信，必須在PC機側(cè)配置RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，或者購買適合PC機的RS485卡。這些附加設(shè)備的價格一般較貴，尤其是一些RS485卡具有自己獨特的驅(qū)動程序，上位PC機的通信一般不能直接采用WINDOW95/98環(huán)境下有關(guān)串口的WIN32通信API函數(shù)，程序員還必須熟悉RS485卡的應(yīng)用函數(shù)。為了避開采用RS485通信協(xié)議的上述問題，我們決定自制RS485/RS232轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)單片機和PC機之間的通信。

單片機和PC機之間的RS485通信硬件接口電路的框圖，如下圖1所示。

從圖1可看出，單片機的通信信號首先通過光隔，然后經(jīng)過RS485接口芯片，將電平信號轉(zhuǎn)換成電流環(huán)信號。經(jīng)過長距離傳輸后，再通過另一個RS485接口芯片，將電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換成電平信號。

圖1單片機與PC機之間的RS485通信硬件接口電路的框圖(略)

該電平信號再經(jīng)過光電隔離，最后由SR232接口芯片，將該電平信號轉(zhuǎn)換成與PC機RS232端口相兼容的RS232電平。由于整個傳輸通道的兩端均有光電隔離，故無論是PC機還是單片機都不會因數(shù)據(jù)傳輸線上可能遭受到的高壓靜電等的干擾而出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。

2接口電路的具體設(shè)計

2-1單片機側(cè)RS485接口電路的設(shè)計

單片機側(cè)RS485接口電路如圖2所示。

AT89C52單片機的串行通信口P30(RXD)和P31(TXD)的電平符合TTL/CMOS標準(邏輯“0”的電平范圍為0V～0.8V,邏輯“1”的電平為24V～VCC)，它們首先通過光電隔離器件6N137隔離，以保護單片機不受傳輸通道的干擾影響，其中T01和?T02是為了增加光隔輸入端的驅(qū)動能力。光隔6N137的左側(cè)電源與單片機相同，右側(cè)必須采用另一組獨立的+5V電源，且兩組電源不能供電。

RS485協(xié)議的串行通信電路的設(shè)計與應(yīng)用介紹

圖2單片機側(cè)RS485接口電路

RS485協(xié)議的串行通信電路的設(shè)計與應(yīng)用介紹

圖3MAX490的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX490[4]是MAXIM公司的RS485接口芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。MAX490支持單電源+5V工作，傳輸速率最高可達25MBPS，可實現(xiàn)全雙工通信。其RO、DI端的邏輯“0”的電平在-0.5V～0.8V之間，邏輯“1”的電平在20V～VCC之間。輸出電流環(huán)的電流在150μA～500μA之間。其工作狀態(tài)為：當(dāng)A端電壓比B端電壓高200mV以上，RO輸出邏輯“1”，當(dāng)A端電壓比B端電壓低200mV,RO輸出邏輯“0”;當(dāng)DI為邏輯“0”，輸出Y低、Z高，當(dāng)DI為邏輯“1”，輸出Y高、Z低。圖2中的電阻器RRS為MAX490的終端匹配電阻器。

2-2PC機側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

RC機側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的電路如圖4所示。

該電路首先通過MAX490芯片將單片機側(cè)經(jīng)遠距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)信號轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS標準

圖4PC機側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的實際電路(略)

RS485協(xié)議的串行通信電路的設(shè)計與應(yīng)用介紹

圖5MAX232A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

的電平信號，然后通過光隔6N137隔離，得到兩個同樣是與TTL/CMOS電平相兼容的電平信號;最后，經(jīng)RS232芯片轉(zhuǎn)換成RS232電平：其中RS232電平的邏輯“0”的電平范圍為-5V～-15V，邏輯“1”的電平范圍為+5V～+15V。這里RS232電平轉(zhuǎn)換芯片選 用MAXIM公司的MAX232A[4]，該芯片采用單電源(+5V)供電，RS232電平由內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的設(shè)計過程中需要特別注意的是電源的設(shè)計。單片機側(cè)和PC機側(cè)的RS485芯片理論上可共用一個電源。實際上，如果穩(wěn)壓電路安裝在單片機側(cè)，同時又將此電源直接拉至PC側(cè)的RS485/RS232轉(zhuǎn)換器中，由于電源線可能長達上百米，電源線的線徑又不可能選得很粗。如此遠距離的傳輸將會導(dǎo)致電源電壓在PC機側(cè)有一個很大的落差，這樣，有可能造成PC機側(cè)的MAX490或光隔IC702工作不正常。一個比較好的解決辦法是首先直接將單片機側(cè)變壓器輸出的交流信號經(jīng)長距離傳輸至RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)整流和穩(wěn)壓，作為PC機側(cè)MAX490和光隔IC702的供電電源。此外，RS232和光隔左側(cè)的供電電源PCVCC可以利用PC機內(nèi)部開關(guān)電源的+5V輸出，或者由外部穩(wěn)壓電源提供。