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摘要：本文介绍了基本的RS485硬件接口电路，并从实际应用的角度考虑，给出了接口防护和自动收发的电路设计思路，为RS485协议下的多机通信系统设计提供参考。
关键词：RS485总线；接口防护；自动收发；多机通信
Abstract：In this paper，basic interface circuit of RS485 bus is intro- duced，and RS485 bus interface protection and automatic transmission circuit is proposed for providing references for multi-computer communi-
cation system designing.
Keywords：RS485 bus；interface protection；automatic transmission；multi-
computer communication
1.引言
在實时数据采集和远距离控制系统中，经常需要在主机和从机之间进行命令和数据传送，实现主机对从机的远程数据采集、监测和控制。出于成本和可靠性地考虑，通常利用串行通讯的方式，使用简单通讯协议，采用单片机嵌入式系统。目前大部分单片系统上集成的是异步通讯串口（UART），传输距离一般不超过30m，传输信号容易受到干扰，不能满足工业现场远距离信息传输的需求。而只需要在单片机系统中增加一块MAX485之类的接口转换芯片，即可将单片机通用异步串口改造成RS485串行总线的通信方式。RS485协议是以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模于扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，同时具有传输距离远、传输速度快等优点，容易组建成本低廉、可靠性高的应用系统。
2.RS485系统机制
在实际应用系统中，通常采用主从模式接口，下图1是RS485总线协议的系统结构框图。通信过程中，数据通信完全由主机主导，从机初始处于接收状态，避免占用总线导致通信混乱。当主机发送指令数据时，所有从机都能接收到信息，然后匹配自身地址，地址一致的从机按照主机指令执行操作并做出应答，其他从机静默。从机应答结束立即回到接收状态释放总线，准备接收下一次信息。
RS485通信协议属于硬件协议，软件数据协议与异步通讯串口相同，数字信号采用A、B差分信号模式。Vb-Va>200mV时表示逻辑“1”，Vb-Va<-200mV时表示逻辑“0”[1]。差分信号能较强的抑制共模干扰，保证通信的可靠性。
3.接口电路设计
3.1 RS485通用接口电路
在单片机采用异步通讯串口增加MAX485芯片，即可转换成符合RS485协议的串口，实现电路如下图2所示。UART转RS485电路直接用集成器件MAX485实现，在最前和最后2个终端设备上需要安装符合电缆传输特性的配电阻R3（一般取值120Ω）。RS485通信属于半双工方式，在通信过程中需要切换发送和接收状态。当要发送数据时，对MAX485的使能脚置1，总线处于发送状态；当要接收数据时，对MAX485的使能脚置0，总线处于接收状态。初始时此电路中MAX485处于接收使能状态，R1和R2上下拉保证A、B总线处于空闲状态（逻辑0）。
3.2 隔离与防护
RS485总线系统在布线施工过程中，可能会同强电线路并行走线，或者在室外架空和在金属物体上悬挂，信号线感应到浪涌等干扰，上行会串扰MAX485或者单片机芯片，严重时可能会击毁芯片。针对此种状况，我们采用信号隔离和浪涌抑制的方式，对电路中敏感元件进行保护。下图3是我们采用的隔离防护电路。
电路中，V4、V5和V6是瞬态抑制二极管TVS，作用是泄放尖峰浪涌。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，能有效保护后端电路[2]。
V1、V2和V3是光电耦合器，经过其“电—光—电”转换过程，实现干扰隔离作用。光电耦合器简称光耦，器件内部把发光器和受光器集成封装，以光为媒介把输入端信号耦合到输出端。它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点。加载在单片机与MAX485之间的光耦隔离，保证单片机正常工作。
3.3 自动收发
MAX485芯片带数据发送/接收使能脚，其作用在前文有说明。发送过程中需要不断切换发送/接收状态，且占用单片机口线。下图4中电路则可以避免如此繁琐的操作，实现自动收发数据。
V3是NPN型三极管，在电路中起到开关作用。当系统处于空闲状态准备接收数据时，TXD引脚置1或高组态，光耦D1截止，从而V3基级处于高电平，集电极和发射机处于导通状态，MAX485使能脚因低电平处于接收状态，总线上A上拉B下拉处于空闲等待数据传输状态。当系统发送数据时，TXD发送逻辑信号1导致光耦D1截止，V3基级处于高电平，集电极和发射极处于导通状态，MAX485使能脚因低电平处于接收状态，总线上A、B信号示由于上下拉电阻作用处于逻辑“1”状态；TXD发送逻辑信号0，光耦D1导通，V3截止，MAX485使能脚上拉置“1”处于发送状态，MAX485的TX引脚低电平，A、B线上传送逻辑“0”信号。整个发送和接收过程无需占用单片机额外的使能口线和使能操作，只需三极管V3响应频率满足通信波特率要求即可。
4结束语
上述RS485接口设计电路在我司变送器产品中已经过使用验证，防护效果明显好于传统电路，可靠性得到显著提高。在RS485通信工程应用中，针对现场电磁环境，还需要采用合理地安装布线方式，提高通信系统抗干扰能力，保证系统稳定靠可运行。
参考文献：
[1]Texas Instruments Application Report”422 and 485 Standards Overview and System Configuration” .June.2002.http：//www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf.
[2]张欣，李爱军等.RS485电路的匹配和保护性设计研究[J].航空计算技术.2007，5（37）：80-82.
基金项目：
安徽省科技重大专项项目（16030701095）
作者简介：
计昌柱，男，就职于蚌埠依爱电子科技有限责任公司，助理工程师，研究方向：养殖环境控制系统硬件设计。
关键词：RS485总线；接口防护；自动收发；多机通信
Abstract：In this paper，basic interface circuit of RS485 bus is intro- duced，and RS485 bus interface protection and automatic transmission circuit is proposed for providing references for multi-computer communi-
cation system designing.
Keywords：RS485 bus；interface protection；automatic transmission；multi-
computer communication
1.引言
在實时数据采集和远距离控制系统中，经常需要在主机和从机之间进行命令和数据传送，实现主机对从机的远程数据采集、监测和控制。出于成本和可靠性地考虑，通常利用串行通讯的方式，使用简单通讯协议，采用单片机嵌入式系统。目前大部分单片系统上集成的是异步通讯串口（UART），传输距离一般不超过30m，传输信号容易受到干扰，不能满足工业现场远距离信息传输的需求。而只需要在单片机系统中增加一块MAX485之类的接口转换芯片，即可将单片机通用异步串口改造成RS485串行总线的通信方式。RS485协议是以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模于扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，同时具有传输距离远、传输速度快等优点，容易组建成本低廉、可靠性高的应用系统。
2.RS485系统机制
在实际应用系统中，通常采用主从模式接口，下图1是RS485总线协议的系统结构框图。通信过程中，数据通信完全由主机主导，从机初始处于接收状态，避免占用总线导致通信混乱。当主机发送指令数据时，所有从机都能接收到信息，然后匹配自身地址，地址一致的从机按照主机指令执行操作并做出应答，其他从机静默。从机应答结束立即回到接收状态释放总线，准备接收下一次信息。
RS485通信协议属于硬件协议，软件数据协议与异步通讯串口相同，数字信号采用A、B差分信号模式。Vb-Va>200mV时表示逻辑“1”，Vb-Va<-200mV时表示逻辑“0”[1]。差分信号能较强的抑制共模干扰，保证通信的可靠性。
3.接口电路设计
3.1 RS485通用接口电路
在单片机采用异步通讯串口增加MAX485芯片，即可转换成符合RS485协议的串口，实现电路如下图2所示。UART转RS485电路直接用集成器件MAX485实现，在最前和最后2个终端设备上需要安装符合电缆传输特性的配电阻R3（一般取值120Ω）。RS485通信属于半双工方式，在通信过程中需要切换发送和接收状态。当要发送数据时，对MAX485的使能脚置1，总线处于发送状态；当要接收数据时，对MAX485的使能脚置0，总线处于接收状态。初始时此电路中MAX485处于接收使能状态，R1和R2上下拉保证A、B总线处于空闲状态（逻辑0）。
3.2 隔离与防护
RS485总线系统在布线施工过程中，可能会同强电线路并行走线，或者在室外架空和在金属物体上悬挂，信号线感应到浪涌等干扰，上行会串扰MAX485或者单片机芯片，严重时可能会击毁芯片。针对此种状况，我们采用信号隔离和浪涌抑制的方式，对电路中敏感元件进行保护。下图3是我们采用的隔离防护电路。
电路中，V4、V5和V6是瞬态抑制二极管TVS，作用是泄放尖峰浪涌。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，能有效保护后端电路[2]。
V1、V2和V3是光电耦合器，经过其“电—光—电”转换过程，实现干扰隔离作用。光电耦合器简称光耦，器件内部把发光器和受光器集成封装，以光为媒介把输入端信号耦合到输出端。它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点。加载在单片机与MAX485之间的光耦隔离，保证单片机正常工作。
3.3 自动收发
MAX485芯片带数据发送/接收使能脚，其作用在前文有说明。发送过程中需要不断切换发送/接收状态，且占用单片机口线。下图4中电路则可以避免如此繁琐的操作，实现自动收发数据。
V3是NPN型三极管，在电路中起到开关作用。当系统处于空闲状态准备接收数据时，TXD引脚置1或高组态，光耦D1截止，从而V3基级处于高电平，集电极和发射机处于导通状态，MAX485使能脚因低电平处于接收状态，总线上A上拉B下拉处于空闲等待数据传输状态。当系统发送数据时，TXD发送逻辑信号1导致光耦D1截止，V3基级处于高电平，集电极和发射极处于导通状态，MAX485使能脚因低电平处于接收状态，总线上A、B信号示由于上下拉电阻作用处于逻辑“1”状态；TXD发送逻辑信号0，光耦D1导通，V3截止，MAX485使能脚上拉置“1”处于发送状态，MAX485的TX引脚低电平，A、B线上传送逻辑“0”信号。整个发送和接收过程无需占用单片机额外的使能口线和使能操作，只需三极管V3响应频率满足通信波特率要求即可。
4结束语
上述RS485接口设计电路在我司变送器产品中已经过使用验证，防护效果明显好于传统电路，可靠性得到显著提高。在RS485通信工程应用中，针对现场电磁环境，还需要采用合理地安装布线方式，提高通信系统抗干扰能力，保证系统稳定靠可运行。
参考文献：
[1]Texas Instruments Application Report”422 and 485 Standards Overview and System Configuration” .June.2002.http：//www.ti.com/lit/an/slla070d/slla070d.pdf.
[2]张欣，李爱军等.RS485电路的匹配和保护性设计研究[J].航空计算技术.2007，5（37）：80-82.
基金项目：
安徽省科技重大专项项目（16030701095）
作者简介：
计昌柱，男，就职于蚌埠依爱电子科技有限责任公司，助理工程师，研究方向：养殖环境控制系统硬件设计。