工控系统中的RS485通讯接口设计

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　　在工业控制、采集等现场应用中，非常普遍地都会使用到RS485、CAN等通讯接口。同时这类通讯线缆连接的两个设备相隔距离又比较远（最长的距离会达到1公里以上）、设备工作环境也比较恶劣（机器机房、山区、电站）。所以，如此长的通讯线缆，会有效的把系统外的干扰信号或电磁脉冲接收到板子上。如果没有对这部分信号进行处理，这些有害的信号则有可能使系统运行出错，严重的会导致系统物理损坏。在山区雷雨季节，雷电辐射电流会通过通讯线缆直接导致系统损坏。所以，需要对这类通讯接口进行物理隔离，达到保护系统正常运行的要求。

　　最基本的设计思路，可以参考下面的说明：

1、电路设计

由于通讯接口要连接较长的通讯线缆，所以通讯接口在系统中，就是主要的干扰源输入端口。在电路设计的时候，需要把这部分电路完全物理隔离开，包括这部分的工作电源，同时端口驱动芯片也需要选用有一定防护能力器件（如SN74LBC184，接触放电：+/-30KV 空隙放电：+/-15KV 人体放电：+/-15KV）。

　　在电气隔离方面，最常用的电路设计方法就是使用光电隔离器件（或磁耦器件），将系统中的信号进行物理隔离后，传输给端口驱动器件，同时必须给端口驱动部分提供独立的电源（单独使用一个电源、或者是使用隔离电源）。如下图所示：

　　上图中，串口通讯信号经过关电隔离器件H11L1后，连接到RS485驱动器件SN75LBC184器件上，同时RS485驱动器件的收/发控制信号RTS，也经过光电隔离器件TL181。图纸中的ISO_VCC及ISO_GND地线是一组电源，5V0及GND是一组电源，这两组电源是物理隔离的。经过这样设计，串口的收、发信号、控制信号和电源，全部都达到了物理隔离的要求。

2、光电隔离器参数

　　由于每颗光电隔离器都有它的工作参数，如数据传输率、输入二极管正向电流IF、输出电流等IC，它们决定了光电隔离器的工作状态与稳定性。

　　如TLP181的推荐工作参数：

推荐工作参数

电气特性

传输特性

输出特性

　　这里VF是输入二极管正向压降1.15V（IF=10mA），IF是输入二极管正向电流，如IF值太小，光电接收器处于不饱和状态，数字信号传输特性变差；如IF值太大，对信号驱动器的驱动能力要求增加。所以在实际的应用中，根据数据传输率和信号驱动器的能力，选择合适的关电隔离器与匹配限流电阻。

　　如参考图中的U18，在这里是作为RS485的RTS信号，所以数据传输率不会太高，结合实际使用情况，U18的数据传输率能满足4800已经足够；同时，基于英创工控主板的电气特性，驱动端驱动电压为3.3V、最大驱动电流为10mA左右，所以控制IF电流的电阻选择330欧姆，即：IF=（3.3V-1.15V）/ 330≈7mA，再根据传输特性得到和输出特性得到，VCE≈0.6V，最后IC=（5.0V-0.6V）/5.1K≈1mA。（隔离后的供电为5V）。

　　所以在参考图中，选用了合适的器件与匹配电阻，这即保证了数据传输要求，也控制电流在器件的安全工作范围。

3、PCB板布局及走线

　　在原理图上，实现了信号的电气物理隔离，同时在电路板上，也需要实现信号的物理区域，因为PCB上的铜皮线条之间类似于电容，即所说的“寄生电容”，特别是需要隔离的这部分信号线相隔太近时，很大一部分干扰信号或脉冲会通过寄生电容耦合到系统端，对系统运行造成干扰或对系统造成损坏。

　　下两图是EM9280EVB上的RS485部分PCB板，以光电隔离器件为界，系统与接口驱动部分有非常明显的物理界线，使干扰信号不能通过PCB铜线间传输到系统。

EM9280EVB 电路板  RS485驱动部分：正面

EM9280EVB 电路板  RS485驱动部分：反面

3、端口保护及布线

电路上处理好的系统，一般的电磁干扰信号，都不会影响到系统的正常运行。但是对于一些脉冲干扰信号，它们有一定的能量，足够损坏驱动器件。特别地，在山区的系统，夏季雷雨季节时，雷电感应电流也比较大，完全足够损坏整个接口。所以接口上还需要独立的保护器件对接口驱动器件进行保护。最常见的方法，就是在端口上并上一颗TVS器件。如果需要对遭遇雷电感应电流时有所保护，端口可能就更加复杂。可以参考下面的电路。

　　这是简单的端口保护，TVS为单向器件，对一般的接触放电等可以起保护作用。该电路对雷电感应电流，是没有防护能力的。

　　遭遇雷电感应电流时，该电路对端口驱动器件有一定防护作用，TVS为双向器件，BJ1为陶瓷气体放电管，5A/5KA 90V信号专用，RZ1为压敏电阻。

　　为了有效地对电路系统起到保护，有了端口保护电路，还需要在布通讯线缆的时候，采取一些必要的措施，如：

　　1、通讯线缆与动力电线缆分开走线

　　2、通讯线缆尽可能从专用走线槽走线

　　3、对于山区、野外的布线，应当让线缆从地下（线管、地沟、走线沟）布线

　　4、使用带屏蔽层的双绞通讯线，同时屏蔽层与现场的安全接地电，可靠连接

　　5、对于防雷有一定要求的应用中，必须按照3、4点布线，同时BJ1的中间头也需要连接到现场的安全接地点

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