CN101572642A - 一种rs485通讯电路 - Google Patents

Abstract

一种RS485通讯电路，其能增强RS485通讯的抗干扰能力和驱动能力，并且使用发送信号间接控制接收/发送方向，使得主控芯片无需单独处理数据流方向的控制。该电路包括电源隔离模块(10)、主控芯片(20)、信号光电隔离模块(30)和通讯接口模块(40)；其中，电源隔离模块(10)产生5V隔离电源，用于对通讯接口模块进行供电；信号光电隔离模块(30)包括数据接收信号光隔离电路(31)和数据发送信号光隔离电路(32)，数据接收信号光隔离电路(31)分别与主控芯片(20)和通讯接口模块(40)连接；数据发送信号光隔离电路(32)分别与主控芯片(20)和通讯接口模块(40)连接；通讯接口模块(40)包括接收信号整形驱动电路(41)、数据发送控制电路(42)、RS485通讯接口芯片(43)和总线接口电路(44)。

Description

一种RS485通讯电路

技术领域

本发明涉及一种RS485通讯电路，更具体的说，涉及一种应用于工业自动化监控领域的智能自动化装置的RS485通讯电路。

背景技术

通常，工业自动化领域中，如变配电站监控***中，终端数据采集块通常采用分布式采集方式，所测量的数据如电压、电流、功率等，一般通过现场总线连接到后台监控***。当前现场总线种类较多，如RS485总线、CAN总线、Profibus总线、DeviceNet总线、Longworks总线等等。其中由于RS485总线硬件成本低、易实现、可靠性好等特点，所以其广泛应用于工业自动化监控领域中的智能自动化装置中。

RS485总线是半双工总线，在工业现场使用，一般的通讯速率在19.2kpbs之下，总线传输距离理论值是1200米，但由于工业现场的电磁环境影响以及总线节点的容量所限，实际能够传输数百米甚至更低。

一般情况下，为实现RS485通讯，在硬件电路上至少需要主控芯片(CPU)和RS485通讯接口芯片。主控芯片可以是51内核8位单片机、RISC结构16位单片机、ARM内核16或32位单片机等等；RS485通讯接口芯片可以采用SN75176、Max485、65LBC184等等。如图1所示，一般的，主控芯片(CPU)需要使用三个信号线与通讯接口芯片进行连接，这三个信号线分别是主控芯片的数据信号接收端(RXD)、数据信号发送端(TXD)、数据接收/发送控制端(Control)，分别与RS485通讯接口芯片进行连接，其中数据信号接收端(RXD)和数据信号发送端(TXD)的信号线一般使用主控芯片(CPU)的异步串行通讯口的引线，数据接收/发送控制端一般使用主控芯片(CPU)普通的IO口即可。这三个信号线与RS485通讯接口芯片进行连接，其中数据信号接收端(RXD)与RS485通讯接口芯片的数据输出端(R)连接，数据流向是从RS485通讯接口芯片到主控芯片(CPU)，如图1中的箭头所示，表明RS485通讯芯片接收到的总线数据从RS485通讯接口芯片的数据输出端(R)传输到主控芯片(CPU)的数据信号接收端(RXD)；数据信号发送端(TXD)与RS485通讯接口芯片的数据输入端(D)连接，数据流向是从主控芯片(CPU)到RS485通讯接口芯片，如图1中的箭头所示，表明主控芯片(CPU)发送的数据通过信号发送端(TXD)引线传输到RS485通讯接口芯片的数据输入端(D)；主控芯片(CPU)的数据接收/发送控制端(Control)与RS485通讯接口芯片的数据接收/发送使能端(RE/DE)相连，数据流向是从主控芯片(CPU)到RS485通讯接口芯片，如图1中的箭头所示。在当前的背景技术下，如果考虑到装置的电磁兼容(EMC)性能和通讯隔离需要，还可以对上述主控芯片(CPU)的三个信号线分别进行光电隔离处理，使得通讯接口部分与主控部分实现电气隔离。

目前技术存在的不足之处在于：首先，由于装置应用于工业场合，装置周围存在大量的电磁干扰信号，包括一些从RS485总线引入的干扰信号，加之装置内部电路的干扰，使得RS485的总线通讯能力实际性能降低，如通讯距离缩短、总线上连接节点的数量减少。其次，主控芯片与通讯接口芯片需要有三个信号线进行连接来实现RS485通讯，其中接收/发送方向控制线(Control)需要主控芯片(CPU)根据数据流当前的方向进行程序控制，相对比较烦琐。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种RS485通讯电路，其能增强RS485通讯的抗干扰能力和驱动能力，并且使用发送信号(TXD)间接控制接收/发送方向，使得主控芯片(CPU)无需单独处理数据流方向的控制。

本发明的RS485通讯电路包括主控芯片(CPU)、电源隔离模块、信号光电隔离模块和通讯接口模块；

所述电源隔离模块产生5V隔离电源，用于对通讯接口模块进行供电，使通讯接口模块与主控芯片(CPU)进行电源隔离；

所述信号光电隔离模块包括数据接收信号光隔离电路和数据发送信号光隔离电路。数据接收信号光隔离电路分别与所述主控芯片(CPU)和通讯接口模块连接，用于将通讯接口模块从RS485总线接收到的数据进行隔离，并传送到主控芯片(CPU)的数据信号接收端(RXD)数据发送信号光隔离电路分别与所述的主控芯片(CPU)和通讯接口模块连接，用于将主控芯片(CPU)的数据信号发送端(TXD)的发送信号进行隔离，并传输到通讯接口模块。

所述通讯接口模块由接收信号整形驱动电路、数据发送控制电路、RS485通讯接口芯片和总线接口电路组成。接收信号整形驱动电路的输入端与所述RS485通讯接口芯片的数据输出端(R)连接，接收信号整形驱动电路的输出端与所述数据接收信号光隔离电路连接，对RS485通讯接口芯片的数据输出端的输出信号进行波形整形，从而提高其驱动能力；数据发送控制电路的输入端与所述数据发送信号光隔离电路连接，数据发送控制电路的输出端分别与所述RS485通讯接口芯片的数据接收/发送使能端(RE/DE)及数据输入端(D)连接，来实现对所述RS485通讯接口芯片接收/发送方向的自动控制及数据向RS485通讯接口芯片的发送；所述RS485通讯接口芯片为普通的通讯接口芯片，如：TI公司的SN75176、65LBC184或美信公司的MAX485等等；所述总线接口电路的输入端与所述RS485通讯接口芯片的总线差分输出端(A、B)连接，总线接口电路的输出端与现场RS485总线连接。

附图说明

图1是现有技术中RS485通讯的结构方框图；

图2是本发明一个实施例的结构框图；

图3(A)是数据接收信号光电隔离的电路图；

图3(B)是数据发送信号光电隔离的电路图；

图4是接收信号整形驱动电路的电路图；

图5是接收信号整形驱动电路比较器输入及输出端的波形图；

图6是数据发送控制电路的电路图；

图7是总线接口电路的电路图。

具体实施方式

图2所示为本发明一个优选实施例中RS485通讯电路的结构框图，该RS485通讯电路包括电源隔离模块10、主控芯片20、信号光电隔离模块30、和通讯接口模块40。

电源隔离模块10可以是普通的DC/DC电源模块，用于将***的5V电源(图中未示出)转换为经过隔离的5V电源，上述***的5V电源还用于给主控芯片20供电，该经过隔离的5V电源给通讯接口模块40单独供电，使得通讯接口模块40与主控芯片20之间实现电源隔离。

主控芯片20一般是带有异步串行接口的单片机，如51内核8位单片机、RISC结构16位单片机、ARM内核16或32位单片机等等。主控芯片20异步串行通讯的引脚RXD用于接收数据、引脚TXD用于发送数据。

信号光电隔离模块30包含数据接收信号光隔离电路31和数据发送信号光隔离电路32，数据接收信号光隔离电路31与主控芯片20的RXD引脚连接，数据发送信号光隔离电路32与主控芯片20的TXD引脚连接。

通讯接口模块40包含接收信号整形驱动电路41、数据发送控制电路42、通讯接口芯片43和总线接口电路44。通讯接口芯片43是普通的RS485接口芯片，如TI公司的SN75176、65LBC184，美信公司的MAX485等，R引脚是通讯接口芯片43的数据输出端，与整形驱动电路41连接。D引脚是通讯接口芯片43的数据输入端，与数据发送控制电路42连接。RE/DE引脚是通讯接口芯片43的数据接收/发送使能端，与数据发送控制电路42连接。A、B引脚分别是通讯接口芯片43的总线差分信号的正负输出端，与总线接口电路44连接。

图3(A)是数据接收信号光电隔离的电路图；图3(B)是数据发送信号光电隔离的电路图。如图3(A)所示，接收信号光隔离电路31包括第一上拉电阻R11、第一限流电阻R12及第一光耦U1，来自通讯接口模块40中整形驱动电路41的信号经过第一限流电阻R12连接到第一光耦U1的输入端，第一光耦U1的输出端经过第一上拉电阻R11连接到主控芯片20的RXD引脚。如图3(B)所示，发送信号光隔离电路32包括第二上拉电阻R21、第二限流电阻R22及第二光耦U2，来自主控芯片20引脚TXD的信号经过第二限流电阻R22连接到第二光耦U2的输入端，第二光耦U2的输出端经过第二上拉电阻R21连接到通讯接口模块40的数据发送控制电路42。该实施例中，光耦采用东芝公司的TLP521-1芯片，其他类型的光耦也可以使用，尤其在通讯速率大于9.6kbps的情况下，应该使用高速光耦芯片，如东芝公司的6N137、安捷伦公司的HCPL-0611等。

图4是通讯接口模块40的接收信号整形驱动电路41的电路原理图，该电路包括第一分压电阻R30、第二分压电阻R31、第三上拉电阻R32、第四上拉电阻R33和第一电压比较器U4A。通讯接口芯片43的输出信号由R引脚输出，经过第三上拉电阻R32的上拉后，接入第一电压比较器U4A的正输入端，第三上拉电阻R32连接在电源VCC2与R引脚之间，第一分压电阻R30和第二分压电阻R31串联于电源VCC2和地GND2之间，且第一分压电阻R30与第二分压电阻R31之间的连接点接到第一电压比较器U4A的负输入端，电源VCC2和地GND2是经过隔离的5V电源。第一电压比较器U4A的输出端经过第四上拉电阻R33上拉后，连接到数据接收信号光隔离电路31，第四上拉电阻R33连接在电源VCC2与第一电压比较器U4A的输出端之间。第一电压比较器U4A的负输入端的电平是由第一分压电阻R30和第二分压电阻R31对电源VCC2分压后形成，一般为2V左右。当第一电压比较器U4A的正输入端电压大于2V时，第一电压比较器U4A的输出端电平为高电平，当第一电压比较器U4A的正输入端电压小于2V时，第一电压比较器U4A的输出端的电平为低电平，图5描述了第一电压比较器U4A的负输入端、正输入端、输出端的波形对应图。通过整形驱动电路41，将来自于通讯接口芯片信号输出R引脚畸变了的信号进行整形，并为接收信号光隔离电路31提供信号的驱动，从而增强了RS485通讯的抗干扰能力和驱动能力。

图6是通讯接口模块40的数据发送控制电路42的电路原理图，该电路包括第三分压电阻R40、第四分压电阻R41、第五上拉电阻R42及第二电压比较器U4B，第三分压电阻R40和第四分压电阻R41串联在电源VCC2和地GND2之间，第五上拉电阻(R42)连接在电源VCC2和第二电压比较器U4B输出端之间；其中第三分压电阻R40和第四分压电阻R41与整形驱动电路41中的第一分压电阻R30和第二分压电阻R31可以进行复用。来自数据发送信号光隔离电路32的信号输入到第二电压比较器U4B的负输入端，同时也输入到通讯接口芯片43的D引脚。经过第三分压电阻R40和第四分压电阻R41分压形成的固定电平(一般为2V左右)输入到第二电压比较器U4B的正输入端。第二电压比较器U4B的输出端连接到通讯接口芯片43的RE/DE端。当U4B负输入端的电平大于2V时，U4B的输出为低电平，反之当U4B负输入端的电平小于2V时，U4B的输出为高电平，该电路起到了反相作用，用于控制通讯接口芯片43的数据接收或发送的方向选择。通过数据发送控制电路42，使用发送信号(TXD)间接控制接收/发送方向，使得主控芯片(CPU)无需单独处理数据流方向的控制。

整形驱动电路41的第一电压比较器U4A与数据发送控制电路42的第二电压比较器U4B可以是具有两个或多个电压比较器的同一个芯片，如NS公司的LM293芯片。

图7是通讯接口模块40的总线接口电路44的电路原理图，该电路由第六上拉电阻R51、下拉电阻R52、第三限流电阻R53、第四限流电阻R54、瞬变抑制二极管TVS组成。其中上拉电阻R51连接在电源VCC2和通讯接口芯片的总线差分信号的正输出端A引脚之间，起到信号上拉的作用。下拉电阻R52连接在地GND2和通讯接口芯片的总线差分信号的负输出端B引脚之间，起到信号下拉的作用。第三限流电阻R53串联在总线正极RS+和通讯接口芯片的总线差分信号的正输出端A引脚之间，第四限流电阻R54串联在总线负极RS-和通讯接口芯片的总线差分信号的负输出端B引脚之间。第三限流电阻R53和第四限流电阻R54的阻值大约是10欧姆左右，用以限流保护作用。瞬变抑制二极管TVS并联在总线正极RS+和总线负极RS-之间，用于吸收总线间的强脉冲干扰信号和浪涌信号，从而起到保护作用。在这里，瞬变抑制二极管TVS也可以使用固体放电管等器件进行替代。

上述具体实施方式仅用于解释本发明，而不是对本发明的限制。

Claims (6)

1、一种RS485通讯电路，电源隔离模块(10)、包括主控芯片(20)、信号光电隔离模块(30)和通讯接口模块(40)；其中，所述电源隔离模块(10)产生5V隔离电源，用于对所述通讯接口模块进行供电，使所述通讯接口模块(40)与所述主控芯片(10))进行电源隔离；所述信号光电隔离模块(30)包括数据接收信号光隔离电路(31)和数据发送信号光隔离电路(32)，所述数据接收信号光隔离电路(31)分别与所述主控芯片(20)和所述通讯接口模块(40)连接，用于将所述通讯接口模块(40)从RS485总线接收到的数据进行隔离，并传送到所述主控芯片(20)的数据信号接收端(RXD)；所述数据发送信号光隔离电路(32)分别与所述主控芯片(20)和所述通讯接口模块(40)连接，用于将所述主控芯片(20)的数据信号发送端(TXD)的发送信号进行隔离，并传输到所述通讯接口模块(40)；

其特征在于：所述通讯接口模块(40)包括接收信号整形驱动电路(41)、数据发送控制电路(42)、RS485通讯接口芯片(43)和总线接口电路(44)；所述接收信号整形驱动电路(41)的输入端与所述RS485通讯接口芯片(43)的数据输出端(R)连接，所述接收信号整形驱动电路(41)的输出端与所述数据接收信号光隔离电路(31)连接，对所述RS485通讯接口芯片(43)的数据输出端(R)的输出信号进行波形整形；所述数据发送控制电路(42)的输入端与所述数据发送信号光隔离电路(32)连接，所述数据发送控制电路(42)的输出端分别与所述RS485通讯接口芯片的数据接收/发送使能端(RE/DE)及数据输入端(D)连接，来完成对所述RS485通讯接口芯片接收/发送方向的自动控制及数据向总线接口电路的发送；所述总线接口电路(44)的输入端与所述RS485通讯接口芯片的总线差分输出端(A、B)连接，所述总线接口电路的输出端与现场RS485总线连接。

2、根据权利要求1所述的RS485通讯电路，其特征在于：所述接收信号光隔离电路(31)包括第一上拉电阻(R11)、第一限流电阻(R12)及第一光耦(U1)，来自所述接收信号整形驱动电路(41)的信号经过所述第一限流电阻(R12)连接到所述第一光耦(U1)的输入端，所述第一光耦(U1)的输出端经过所述第一上拉电阻(R11)连接到所述主控芯片(20)的数据信号接收端(RXD)。

3、根据权利要求1所述的RS485通讯电路，其特征在于：所述发送信号光隔离电路(32)包括第二上拉电阻(R21)、第二限流电阻(R22)及第二光耦(U2)，来自所述主控芯片(20)的数据信号发送端(TXD)的信号经过所述第二限流电阻(R22)连接到所述第二光耦(U2)的输入端，所述第二光耦(U2)的输出端经过所述第二上拉电阻(R21)连接到所述通讯接口模块(40)的数据发送控制电路(42)。

4、根据权利要求1所述的RS485通讯电路，其特征在于：所述接收信号整形驱动电路(41)包括第一分压电阻(R30)、第二分压电阻(R31)、第三上拉电阻(R32)、第四上拉电阻(R33)和第一电压比较器(U4A)；

所述通讯接口芯片(43)的输出信号经过所述第三上拉电阻(R32)的上拉后，接入所述第一电压比较器(U4A)的正输入端，所述第三上拉电阻(R32)连接在所述5V隔离电源(VCC2)与所述RS485通讯接口芯片(43)的数据输出端(R)之间，所述第一分压电阻(R30)和所述第二分压电阻(R31)串联于所述5V隔离电源(VCC2)和地(GND2)之间，且所述第一分压电阻(R30)与所述第二分压电阻(R31)之间的连接点接到所述第一电压比较器(U4A)的负输入端；所述第一电压比较器(U4A)的输出端经过所述第四上拉电阻(R33)上拉后，连接到所述数据接收信号光隔离电路(31)，所述第四上拉电阻(R33)连接在所述5V隔离电源(VCC2)与所述第一电压比较器(U4A)的输出端之间。

5、根据权利要求1所述的RS485通讯电路，其特征在于：所述数据发送控制电路(42)包括第三分压电阻(R40)、第四分压电阻(R41)、第五上拉电阻(R42)及第二电压比较器(U4B)；

所述第三分压电阻(R40)和所述第四分压电阻(R41)串联在所述5V隔离电源(VCC2)和地(GND2)之间，所述第五上拉电阻(R42)连接在所述5V隔离电源(VCC2)和所述第二电压比较器(U4B)的输出端之间；来自所述数据发送信号光隔离电路(32)的信号输入所述第二电压比较器(U4B)的负输入端，同时输入到所述RS485通讯接口芯片(43)的数据输入端(D)，所述第三分压电阻(R40)和所述第四分压电阻(R41)分压形成的电平输入到所述第二电压比较器(U4B)的正输入端，所述第二电压比较器(U4B)的输出端连接到所述RS485通讯接口芯片(43)的数据接收/发送使能端(RE/DE)。

6、根据权利要求1所述的RS485通讯电路，其特征在于：所述总线接口电路(44)由第六上拉电阻(R51)、下拉电阻(R52)、第三限流电阻(R53)、第四限流电阻(R54)、瞬变抑制二极管(TVS)组成；

其中所述第六上拉电阻(R51)连接在所述5V隔离电源(VCC2)和所述RS485通讯接口芯片的总线差分信号的正输出端(A)之间，起到信号上拉的作用；所述下拉电阻(R52)连接在地(GND2)和所述RS485通讯接口芯片(43)的总线差分信号的负输出端(B)之间，起到信号下拉的作用；所述第三限流电阻(R53)串联在所述现场RS485总线的正极(RS+)和所述RS485通讯接口芯片(43)的总线差分信号的正输出端(A)之间，所述第四限流电阻(R54)串联在所述现场RS485总线的负极(RS-)和所述RS485通讯接口芯片(43)的总线差分信号的负输出端(B)之间；所述瞬变抑制二极管(TVS)并联在所述现场RS485总线的正极(RS+)和负极(RS-)之间，用于吸收总线间的强脉冲干扰信号和浪涌信号。

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