英創(chuàng)信息技術(shù)工控系統(tǒng)中的RS485通訊接口設(shè)計(jì)介紹

在工業(yè)控制、采集等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，非常普遍地都會(huì)使用到RS485、CAN等通訊接口。同時(shí)這類(lèi)通訊線纜連接的兩個(gè)設(shè)備相隔距離又比較遠(yuǎn)（最長(zhǎng)的距離會(huì)達(dá)到1公里以上）、設(shè)備工作環(huán)境也比較惡劣（機(jī)器機(jī)房、山區(qū)、電站）。所以，如此長(zhǎng)的通訊線纜，會(huì)有效的把系統(tǒng)外的干擾信號(hào)或電磁脈沖接收到板子上。如果沒(méi)有對(duì)這部分信號(hào)進(jìn)行處理，這些有害的信號(hào)則有可能使系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)物理?yè)p壞。在山區(qū)雷雨季節(jié)，雷電輻射電流會(huì)通過(guò)通訊線纜直接導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。所以，需要對(duì)這類(lèi)通訊接口進(jìn)行物理隔離，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求。

最基本的設(shè)計(jì)思路，可以參考下面的說(shuō)明：

1、電路設(shè)計(jì)

由于通訊接口要連接較長(zhǎng)的通訊線纜，所以通訊接口在系統(tǒng)中，就是主要的干擾源輸入端口。在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要把這部分電路完全物理隔離開(kāi)，包括這部分的工作電源，同時(shí)端口驅(qū)動(dòng)芯片也需要選用有一定防護(hù)能力器件（如SN74LBC184，接觸放電：+/-30KV 空隙放電：+/-15KV 人體放電：+/-15KV）。

在電氣隔離方面，最常用的電路設(shè)計(jì)方法就是使用光電隔離器件（或磁耦器件），將系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行物理隔離后，傳輸給端口驅(qū)動(dòng)器件，同時(shí)必須給端口驅(qū)動(dòng)部分提供獨(dú)立的電源（單獨(dú)使用一個(gè)電源、或者是使用隔離電源）。如下圖所示：

上圖中，串口通訊信號(hào)經(jīng)過(guò)關(guān)電隔離器件H11L1后，連接到RS485驅(qū)動(dòng)器件SN75LBC184器件上，同時(shí)RS485驅(qū)動(dòng)器件的收/發(fā)控制信號(hào)RTS，也經(jīng)過(guò)光電隔離器件TL181。圖紙中的ISO_VCC及ISO_GND地線是一組電源，5V0及GND是一組電源，這兩組電源是物理隔離的。經(jīng)過(guò)這樣設(shè)計(jì)，串口的收、發(fā)信號(hào)、控制信號(hào)和電源，全部都達(dá)到了物理隔離的要求。

2、光電隔離器參數(shù)

由于每顆光電隔離器都有它的工作參數(shù)，如數(shù)據(jù)傳輸率、輸入二極管正向電流IF、輸出電流等IC，它們決定了光電隔離器的工作狀態(tài)與穩(wěn)定性。

如TLP181的推薦工作參數(shù)：

推薦工作參數(shù)

電氣特性

傳輸特性

輸出特性

這里VF是輸入二極管正向壓降1.15V（IF=10mA），IF是輸入二極管正向電流，如IF值太小，光電接收器處于不飽和狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)傳輸特性變差；如IF值太大，對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力要求增加。所以在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率和信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的能力，選擇合適的關(guān)電隔離器與匹配限流電阻。

如參考圖中的U18，在這里是作為RS485的RTS信號(hào)，所以數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)太高，結(jié)合實(shí)際使用情況，U18的數(shù)據(jù)傳輸率能滿足4800已經(jīng)足夠；同時(shí)，基于英創(chuàng)工控主板的電氣特性，驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)電壓為3.3V、最大驅(qū)動(dòng)電流為10mA左右，所以控制IF電流的電阻選擇330歐姆，即：IF=（3.3V-1.15V）/ 330≈7mA，再根據(jù)傳輸特性得到和輸出特性得到，VCE≈0.6V，最后IC=（5.0V-0.6V）/5.1K≈1mA。（隔離后的供電為5V）。

所以在參考圖中，選用了合適的器件與匹配電阻，這即保證了數(shù)據(jù)傳輸要求，也控制電流在器件的安全工作范圍。

3、PCB板布局及走線

在原理圖上，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的電氣物理隔離，同時(shí)在電路板上，也需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的物理區(qū)域，因?yàn)镻CB上的銅皮線條之間類(lèi)似于電容，即所說(shuō)的“寄生電容”，特別是需要隔離的這部分信號(hào)線相隔太近時(shí)，很大一部分干擾信號(hào)或脈沖會(huì)通過(guò)寄生電容耦合到系統(tǒng)端，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成干擾或?qū)ο到y(tǒng)造成損壞。

下兩圖是EM9280EVB上的RS485部分PCB板，以光電隔離器件為界，系統(tǒng)與接口驅(qū)動(dòng)部分有非常明顯的物理界線，使干擾信號(hào)不能通過(guò)PCB銅線間傳輸?shù)较到y(tǒng)。

EM9280EVB 電路板 RS485驅(qū)動(dòng)部分：正面

EM9280EVB 電路板 RS485驅(qū)動(dòng)部分：反面

3、端口保護(hù)及布線

電路上處理好的系統(tǒng)，一般的電磁干擾信號(hào)，都不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是對(duì)于一些脈沖干擾信號(hào)，它們有一定的能量，足夠損壞驅(qū)動(dòng)器件。特別地，在山區(qū)的系統(tǒng)，夏季雷雨季節(jié)時(shí)，雷電感應(yīng)電流也比較大，完全足夠損壞整個(gè)接口。所以接口上還需要獨(dú)立的保護(hù)器件對(duì)接口驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行保護(hù)。最常見(jiàn)的方法，就是在端口上并上一顆TVS器件。如果需要對(duì)遭遇雷電感應(yīng)電流時(shí)有所保護(hù)，端口可能就更加復(fù)雜?？梢詤⒖枷旅娴碾娐贰?/p>

這是簡(jiǎn)單的端口保護(hù)，TVS為單向器件，對(duì)一般的接觸放電等可以起保護(hù)作用。該電路對(duì)雷電感應(yīng)電流，是沒(méi)有防護(hù)能力的。

遭遇雷電感應(yīng)電流時(shí)，該電路對(duì)端口驅(qū)動(dòng)器件有一定防護(hù)作用，TVS為雙向器件，BJ1為陶瓷氣體放電管，5A/5KA 90V信號(hào)專(zhuān)用，RZ1為壓敏電阻。

為了有效地對(duì)電路系統(tǒng)起到保護(hù)，有了端口保護(hù)電路，還需要在布通訊線纜的時(shí)候，采取一些必要的措施，如：

1、通訊線纜與動(dòng)力電線纜分開(kāi)走線

2、通訊線纜盡可能從專(zhuān)用走線槽走線

3、對(duì)于山區(qū)、野外的布線，應(yīng)當(dāng)讓線纜從地下（線管、地溝、走線溝）布線

4、使用帶屏蔽層的雙絞通訊線，同時(shí)屏蔽層與現(xiàn)場(chǎng)的安全接地電，可靠連接

5、對(duì)于防雷有一定要求的應(yīng)用中，必須按照3、4點(diǎn)布線，同時(shí)BJ1的中間頭也需要連接到現(xiàn)場(chǎng)的安全接地點(diǎn)