基於rs-485總線的光電隔離中繼器的製作方法
2023-12-01 22:29:26 1
專利名稱：基於rs-485總線的光電隔離中繼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及工業通信技術領域，進一步涉及一種工控自動化裝置，具體的來說涉及一種數字通信485通訊中繼器。
背景技術：
RS-485總線是一種用於設備網際網路的、經濟型的、傳統的工業總線信號傳輸方式。 RS-485總線是測控領域廣泛採用的一種現場總線形式，由於採用了平衡發送和差分接收的 方式，可以有效地克服共模幹擾，並具有較高的數據傳輸速率和傳輸距離。RS-485總線傳輸 的最大距離為1200米。目前的R8-485總線在工業現場空曠的環境中，由於其外部電磁環境複雜，RS-485 總線很容易收到幹擾及外部電壓的侵襲。總線應用到工礦山、野外地區經常因環境因素而 導致485總線遭到雷擊，燒毀通訊迴路設備及總線節點，導致通訊總線迴路癱瘓，直接影響 通訊數據的讀取。在現場測控領域中也經常採用中繼器擴展RS-485網絡，但擴展的支路常 因為自身短路而導致整個網絡受到破壞。且發生故障後，很難及時確定故障的發生地點。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術中存在的RS-485總線中繼器存 在的問題，提供一種簡單實用的基於RS-485總線的光電隔離中繼器，該中繼器可以延長 RS-485總線的傳輸距離，同時對通訊網絡起到很好的保護作用。為了解決上述問題本發明的技術方案是這樣的基於RS-485總線的光電隔離中繼器，包括相互對稱的信號1端和信號2端，信號 1端和信號2端通過一對光耦隔離晶片連接，所述的一對光耦隔離晶片通過隔離電源供電。所述隔離電源包括一個輸入模塊和兩個輸出模塊，輸出模塊與輸入模塊相互隔罔。所述信號1端具有一個公共端GNDl端，所述信號2端具有一個公共端GND2端，所 述隔離電源具有一個公共端GND端；所述的GNDl端、GND2端、GND端相互隔離。有益效果，本發明應用於RS-485總線中，通過增加中繼器，延長RS-485總線傳輸 距離。採用光耦隔離的中繼器能夠將任何故障只限制在擴展的支路內，同時也便於在故障 發生時及時確定故障地點。另外，與傳統RS-485中繼器相比，本發明還具有防雷擊、電氣隔 離傳輸信號等獨特優點。
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明；圖1為本發明所述的光電隔離中繼器的結構原理框圖；圖2為本發明所述的信號1端電路結構示意圖；圖3為本發明所述的隔離電源及光耦隔離晶片電路結構示意圖4為本發明所述的信號2端電路結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。參看圖1本實施例中所述的光電隔離中繼器採用雙信號端對稱設計，分別稱為信號1端和 信號2端，它們都可以作為發送端和接收端使用。由於RS-485採用半雙工方式，同一時刻只 允許一個作為發送端，另一個作為接收端。光耦隔離晶片是信號端之間的傳輸媒介，隔離前 後的信號擺脫了電氣連接，對系統安全起到了防護作用。外部電源採用+5V或+9V +24V 直流電源。由於通信網絡各點地相位差異較大，採用隔離電源分別給信號端供電，使得信號 1端GND、信號2端GND和電源端GND三者之間相互隔離，這樣即使在某一端短路的情況下 也不會危及整個網絡，對網絡及其設備起到了很好的保護作用。參看圖2隔離電源與信號隔離系統採用+5V直流電源直接供電或+9 +24V的直流電源供電。採用+9 +24V 直流電源供電時，需要將輸入電壓轉換為+5V直流電。圖中，LM2576是五端穩壓器，五個端 口分別是輸入端、輸出端，使能端(低電平有效)，反饋端和地端。按圖所示的典型電路輸入 +纊+24V直流電，將從輸出端將得到+5V直流電。5V直流電通過隔離電源晶片U8和U9後得到兩個與輸入相隔離的電源VCCl和 VCC2，分別給兩個光耦供電。隔離電源晶片採用了耀華電子生產的二次集成晶片，該產品具有體積小、效率高、 高隔離電壓、高可靠性和低價格等顯著優點，適用於數位訊號處理電路和對電壓穩定度要 求不高的模擬電路，特別適用於分布式電源供電系統及使用小功率電源供電。信號隔離採用了光電隔離方式。光電隔離器的結構相當於把發光二極體和光敏管 封裝在一起，發光二極體將輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管，再由光敏管轉換為電 信號輸出。由於沒有直接的電氣連接，既耦合傳輸了信號，又具有隔離作用。以圖2中光耦器件U6為例，當Ul-RO為低電平時，PNP型三極體T4導通使光耦內 部的發光二極體開始工作，光敏三極體感受到光波後導通，輸出端U2-DI變為低電平；同理 可以分析當Ul-RO為高電平時，輸出端U2-DI為高電平，即光耦的輸入輸出始終為同相。其中，NeUl-DI是右端傳向左端的信號，NeU2_DI是左端傳向右端的信號，NeU2_D0 是右端接收進來的信號，NeUl-DO是左端接收進來的信號。參看圖3和圖4中繼器工作原理中繼器的核心為中繼器收發晶片，這裡選用了 MAX3471。它採用8管腳封裝，其中 RE為接收控制端，低電平有效；DE為發送控制端，高電平有效。將RE和DE連接在一起，可 以保證晶片任一時刻只工作於一種模式。RO和DI分別為數據接收端和數據發送端。信號1端和信號2端在結構上互為對稱，因此僅就信號1端輸入數據，信號2端輸 出數據進行分析。中繼器分為空閒和數據傳輸兩種狀態，下面分別就這兩種情況分析
(1)系統空閒系統上電後如果沒有數據傳輸，圖2中VCC1、VCC2分別通過R15和R21將U1_DI和U2_DI上拉至高電平，兩個光耦都處於關閉狀態，U1_R0和U2_R0都處於高電平的狀態。為了 避免信號幹擾產生誤動作，採用施密特觸發器對波形進行整形處理，如圖3所示。HEF4093 為四通道雙輸入施密特觸發器，U1_DI高電平信號經過施密特觸發器的整形和反向後得到 一個低電平信號，將該信號接至Ul的麗和DE端表示允許接收。因此總線上若為空閒，受上拉和下拉電路的影響，差分信號為高電平，RO數據接收 端也始終為高電平。(2)數據傳輸RS-232或TTL串口傳輸數據時，數據格式通常是起始位、數據位、奇偶校驗位和停 止位。空閒時發送口為高電平，當有數據時總線由高電平跳至低電平，這個低電平就作為起 始位。圖3中，當差分信號變為低電平(起始位)時，U1_R0變為低電平，U1_R0經過圖2 中光耦隔離後同相輸出為U2_DI。分析圖4可以看到U2_DI信號除了作為數據外又經過施 密特觸發器的整形、反向後作為U2的發送控制端。由於控制信號此時為高電平，表示發送 允許，故U2將U2_DI的低電平信號通過A2，B2差分輸出。起始位結束後，後面的數據位可能為高位也有可能為低位，分以下兩種情況說 明1)如果是低位，根據前面分析知Ul端的低電平信號經過隔離轉換後，最後通過U2 輸出同相位差分低電平。2)如果是高位，高電平信號可以被Ul接收但不能通過U2，因為此時控制信號為 低，U2處於接收狀態。此時由於電阻的上拉作用，U2的A2和B2差分總線上還是呈現為高 電平信號。這樣雖然Ul端的高電平信號未實際通過U2，但與U2相連的終端(比如單片機) 仍可以收到一個高電平，這種情況稱為高電平「偽通過」。這樣就巧妙地運用了數據傳輸中起始位由高電平到低電平的跳變來觸發隔離中 繼器，信號在作為傳輸數據的同時還起到控制數據收發(低電平通過，高電平「偽」通過)的 作用。經過實際測試，該中繼器傳輸信號穩定可靠，傳輸距離和傳輸速度得到很大提高， 因而具有廣泛的應用價值。本發明應用於RS-485總線中，通過增加中繼器，延長RS-485總線傳輸距離。採用 光耦隔離的中繼器能夠將任何故障只限制在擴展的支路內，同時也便於在故障時及時確定 故障地點。另外，與傳統RS-485中繼器相比，本發明還具有防雷擊、電氣隔離傳輸信號等獨 特優點。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等同物界定。
權利要求
基於RS-485總線的光電隔離中繼器，其特徵在於，包括相互對稱的信號1端和信號2端，信號1端和信號2端通過一對光耦隔離晶片連接，所述的一對光耦隔離晶片通過隔離電源供電。
2.根據權利要求1所述的基於RS-485總線的光電隔離中繼器，其特徵在於，所述隔離 電源包括一個輸入模塊和兩個輸出模塊，輸出模塊與輸入模塊相互隔離。
3.根據權利要求1所述的基於RS-485總線的光電隔離中繼器，其特徵在於，所述信號 1端具有一個公共端GNDl端，所述信號2端具有一個公共端GND2端，所述隔離電源具有一 個公共端GND端；所述的GNDl端、GND2端、GND端相互隔離。
全文摘要
基於RS-485總線的光電隔離中繼器，包括相互對稱的信號1端和信號2端，信號1端和信號2端通過一對光耦隔離晶片連接，所述的一對光耦隔離晶片通過隔離電源供電。由於通信網絡各點地相位差異較大，採用隔離電源分別給信號端供電，使得信號1端GND、信號2端GND和電源端GND三者之間相互隔離，這樣即使在某一端短路的情況下也不會危及整個網絡，對網絡及其設備起到了很好的保護作用。
文檔編號H04L12/02GK101800647SQ20091024738
公開日2010年8月11日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者周俊華, 曹永平 申請人:上海維宏電子科技有限公司;上海奈凱電子科技有限公司