RS-485集线器设计原理

本文介绍了一种四路RS-485集线器的设计，这种集线器具有各支路全部隔离、零延时自动收发转换、故障支路自动切除并报警、故障恢复后自动接入以及防雷击浪涌保护等功能，可以弥补RS-485总线在实际应用中的不足。

关键词：RS-485；集线器；故障自动隔离

引言

RS-485总线基于平衡发送和差分接收，具有很强的抗共模干扰能力，在远程有线数字通信领域使用非常广泛。但它也存在一些缺点，如一个节点故障会引起整个总线瘫痪、不能星型布线等。在总线上加装一个RS-485集线器可以弥补这些缺陷，同时延长通信距离。

RS-485集线器工作原理

RS-485集线器利用主485芯片把上位机总线上的差分信号转换成TTL电平，然后以广播方式分配给其它各支路的从485芯片，由从芯片再转换为差分信号发送到各分支总线上。图1是四路集线器的应用方案，图的左侧接RS-485总线上位机，右侧接各分支下位机。

由图1可以看出，RS-485集线器起到了中继器延长距离和扩充终端数量的作用。对于四路集线器，它的四个分支总线可以分别按串行方式布线，相当于把原来的一组总线按星型方式分成了四组，解决了布线的局限性。另外，当其中一个节点故障导致总线短路时，只会影响到它所在的一组分支总线，而不会影响到其它三组。


图1 RS-485集线器应用方案

图2  防雷击浪涌保护设计原理图

图3 自动收发转换设计原理图

图4 故障自动隔离模块原理框图

RS-485集线器设计

参照图1的工作原理，各模块设计重点如下。

电源设计

出于隔离保护和抗干扰的考虑，5个485芯片采用5V隔离电源模块供电，使主、从电路相互隔离。

信号隔离设计

所有分支信号与主站信号之间都采用高速光耦6N137进行隔离，实现各分支之间、各分支与主站之间全部隔离。

防雷击浪涌保护设计

如图2所示，所有总线出口都采用防雷管和TVS管构成两级保护。总线感应到雷击等高压大能量信号时，先通过防雷管提供的线线间、线地间防雷保护功能，使雷击过电压被迅速泄放，泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，次级保护使用的TVS管可以将上述尖峰电压吸收。如果有较大的电流，可以通过热敏电阻的高阻值来降压。

零延时自动收发转换设计
如图3所示，利用485芯片的数据输入端DI通过非门来控制收发控制端DE/RE。电阻、电容的作用是为了补偿DI到DE之间信号传输的延时。
故障自动隔离设计
该模块的设计原理是用模拟开关串接在各分支路的接收数据线上，通过单片机监测这些接收数据，判断是否出现故障，当出现故障时使能端断开该路模拟开关，同时发出报警，待故障恢复后再使其自动接入，原理框图如图4所示。
单片机程序设计
485从芯片的RO取反后接485主芯片的RE/DE。若RO为高，主芯片处于接收上位机数据状态；若RO一直为低，则主芯片一直对上位机发送，算是故障状态。
单片机内部设2秒为一个循环判断周期。在这2秒内，如果有持续10ms的高电平，则视为正常无故障，导通模拟开关；若没有，则视为故障，断开模拟开关。
单片机的主程序流程如图5所示。单片机的定时中断程序流程如图6所示。
整个四路RS-485集线器的电路如图7所示(篇幅有限，其中不包含电源)。

图5 单片机主程序流程图

图6 单片机定时中断程序流程图

图7 四路RS-485集线器设计原理图

结语
本设计在工程中运行正常，可以实现收发数据的零延时自动转换、故障支路自动排除以及故障恢复后自动接入，最高波特率可达到 115200bps 。同时可以星型布线，延长 RS-485 通信距离，增加带负载能力，使得复杂电磁场环境下组建大规模 RS-485 网络的很多问题迎刃而解，极大地提高了系统可靠性。