基于74HC14芯片與ADM2483芯片實(shí)現(xiàn)RS-485接口的信號(hào)隔離自收發(fā)設(shè)計(jì)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中使用廣泛。但是，在工業(yè)控制等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，情況復(fù)雜，常會(huì)有電氣噪聲干擾傳輸線路;在多系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，不同系統(tǒng)的地之間會(huì)存在電位差，形成接地環(huán)路，會(huì)干擾整個(gè)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的災(zāi)難性損毀;還可能存在損壞設(shè)備或危害人員的潛在電流浪涌等高電壓或大電流。因此，對(duì)RS-485接口的隔離是非常有必要的。

ADM2483是一款集成了信號(hào)通道隔離和RS-485收發(fā)器的芯片。以單芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)RS-485接口的隔離，電路連接簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，性能上遠(yuǎn)高于繁瑣的光耦隔離485電路設(shè)計(jì)。在某些系統(tǒng)應(yīng)用中，由于I/O口數(shù)量有限，因此我們希望半雙工的RS-485收發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)自收發(fā)功能，以節(jié)省用于控制RE與DE的兩路I/O端口。目前，實(shí)現(xiàn)這一功能的主流方案是采用74HC14芯片。下面，我們采用74HC14與ADM2483實(shí)現(xiàn)RS-485接口的信號(hào)隔離自收發(fā)設(shè)計(jì)。

硬件電路

隔離RS-485接口電路

之前我們經(jīng)常采用的485接口隔離電路是利用三個(gè)光耦隔離收發(fā)及控制信號(hào)，加上485收發(fā)器共需要4片IC，且采用光耦隔離需要限流及輸出上拉電阻，必要時(shí)還會(huì)使用三極管驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)電路繁瑣，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，如果沒有之前使用光耦的經(jīng)驗(yàn)，那么在選用光耦限流及輸出上拉電阻方面會(huì)耗費(fèi)很多不必要的時(shí)間;且光耦的輸出信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng)，在與數(shù)字I/O端口相接時(shí)，需另加施密特整形才能保證信號(hào)的波形符合標(biāo)準(zhǔn)，如在FPGA、DSP等系統(tǒng)中的應(yīng)用。

ADM2483是內(nèi)部集成了磁隔離通道和485收發(fā)器的芯片，內(nèi)部集成的磁隔離通道原理與光耦不同，在輸入輸出端分別有編碼解碼電路和施密特整形電路，確保了輸出波形的質(zhì)量。且磁隔離功耗僅為光耦的1/10，傳輸延時(shí)為ns級(jí)，從直流到高速信號(hào)的傳輸都具有超越光耦的性能優(yōu)勢(shì)。內(nèi)部集成的低功耗485收發(fā)器，信號(hào)傳輸速率可達(dá)500Kbps，后端總線可支持掛載256個(gè)節(jié)點(diǎn)。具有真失效保護(hù)、電源監(jiān)控以及熱關(guān)斷功能。

要實(shí)現(xiàn)隔離RS-485接口的電路設(shè)計(jì)只需在ADM2483的電源與地之間接一個(gè)104的去耦電容即可。當(dāng)然，DC-DC隔離電源是必不可少的。其電路連接如下圖：

信號(hào)自收發(fā)電路

信號(hào)自收發(fā)電路我們采用74HC14芯片，利用它的施密特波形翻轉(zhuǎn)性能來控制RE、DE引腳，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自收發(fā)。其電路連接如下圖：

如圖所示，MCU的發(fā)送信號(hào)經(jīng)過施密特觸發(fā)器反向后輸給DE和RE腳，發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TxD接地。

當(dāng)有高電平信號(hào)發(fā)送時(shí)，經(jīng)反向變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，DE/RE引腳輸入為低電平，使發(fā)送驅(qū)動(dòng)器禁止，總線為高阻狀態(tài)，此時(shí)由A、B總線上的上拉電阻產(chǎn)生高電平輸出。

當(dāng)有低電平信號(hào)發(fā)送時(shí)，經(jīng)反向變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)，DE/RE引腳輸入為高電平，使發(fā)送驅(qū)動(dòng)器工作，由于TxD引腳端接地，為低電平，這樣就將低電平發(fā)送至總線。

本參考設(shè)計(jì)僅為實(shí)現(xiàn)RS-485接口的自收發(fā)功能，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)使用情況作出相應(yīng)的修改。此收發(fā)電路也有不足之處，當(dāng)在連續(xù)發(fā)送高電平時(shí)，ADM2483的DE/RE引腳處于接收狀態(tài)，所以，此時(shí)的發(fā)送端和接收端都處于接收狀態(tài)，這時(shí)的總線是空閑狀態(tài)，是允許各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的，因此一般在主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用此方法。

在網(wǎng)絡(luò)上也有不同的幾種實(shí)現(xiàn)RS-485收發(fā)器自收發(fā)的方案，分別有以下幾種：

利用三極管反向原理實(shí)現(xiàn)

電路如下圖：

當(dāng)不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TxD信號(hào)為高電平，經(jīng)V1反向后使ADM2483處于接收狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TxD為高時(shí)，經(jīng)V1反向，使發(fā)送驅(qū)動(dòng)器禁止，總線為高阻狀態(tài)，此時(shí)由A、B總線上的上拉電阻產(chǎn)生高電平輸出。TxD為低時(shí)，經(jīng)V1反向，使發(fā)送驅(qū)動(dòng)器工作，由于TxD引腳端接地，為低電平，這樣就將低電平發(fā)送至總線。

采用這種電路時(shí)，需要程序保證不同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送的操作。

利用555定時(shí)器，其原理于以上電路類似，電路圖如下：

555定時(shí)器為邊沿觸發(fā)，當(dāng)TxD發(fā)送高電平時(shí)，555定時(shí)器OUT引腳輸出低電平，當(dāng)TxD發(fā)送低電平時(shí)，555定時(shí)器OUT引腳輸出高電平，當(dāng)TxD轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，OUT引腳輸出的高電平狀態(tài)會(huì)延遲一會(huì)再轉(zhuǎn)入低電平，以確保發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。

采用74HC14和RC電路實(shí)現(xiàn)，此電路是對(duì)單純使用74HC14實(shí)現(xiàn)自收發(fā)電路的改進(jìn)，增加了RC充放電電路，減少總線處于空閑狀態(tài)的時(shí)間，電路如下圖：

當(dāng)TxD信號(hào)為高電平，則通過電阻為電容充電，其充電時(shí)間為T，該時(shí)間應(yīng)設(shè)置為串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)所需要的時(shí)間，由R，C參數(shù)來確定。當(dāng)電容充滿后，則DE/RE為低電平，使ADM2483處于接收狀態(tài)。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TxD起始位產(chǎn)生第一個(gè)下降沿，使電容經(jīng)過二極管進(jìn)行快速放電，使DE/RE很快變?yōu)楦唠娖?，ADM2483處于發(fā)送狀態(tài)。在發(fā)送過程中， 當(dāng)TxD變成高電平時(shí)，電容通過電阻緩慢充電，使DE/RE仍然保持在發(fā)送狀態(tài)，可有效吸收總線上的反射信號(hào)。當(dāng)RC充電結(jié)束，使DE/RE轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)時(shí)， 總線上的上拉、下拉電阻將維持TxD高電平的發(fā)送狀態(tài)，直至整個(gè)bit發(fā)送結(jié)束。

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢以后，TxD變?yōu)楦唠娖?，RC又開始充電，即經(jīng)T時(shí)間后，ADM2483又轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)。

聲明

以上所有電路均為參考電路，為電路設(shè)計(jì)者提供思路，在實(shí)際使用中請(qǐng)?jiān)俅悟?yàn)證，以確保電路的穩(wěn)定及不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成破壞。對(duì)于電路損壞造成的損失，概不負(fù)責(zé)。