485通信协议有哪些应用方案设计？

一、什么是485隔离电路?

RS-485是一种常用的数据通信协议，广泛应用于工业控制系统、楼宇自动化、安防系统等领域。在某些应用中，为了防止电气噪声干扰或电气冲击，需要对RS-485接口进行隔离。以下情况需要485隔离：

1.RS485外部接口连接高电压时，容易损坏后端电路，甚至在使用端产生触电。

2.RS485的通信节点距离太远时，每个节点的参考地都接于本地的大地，当两端大地之间存在较大的压差时，地电势会以共模电压的方式叠加在信号线上，可能超出端口可承受的共模电压范围，影响正常通信，甚至会损坏后端电路。

3.距离较远的485通信节点之间的地平面利用线缆进行连接时，地线会和大地形成地环路，耦合外部共模噪声，产生地环路电流，可能会导致整个电路系统失效。

示例图(仅供参考)

二、有哪些方法可以实现485隔离?

想要做到485电路上的隔离需要采用隔离器件，如光耦隔离器、磁隔离器、隔离芯片等。光耦器是最常用的隔离器件，且成本较低。光耦的速率要满足波特率的要求，一般选择高速光耦做485隔离。隔离芯片相对于光耦，PCB面积更小，但成本也更高。常使用的隔离芯片方案一般有专用数字隔离芯片、集成式485隔离芯片和带电源的隔离芯片。

具体实现步骤如下：

1.使用隔离器：首先，需要选择一款适合的隔离器。常见的RS-485隔离器有ADI的ADM2483、TI的ISO3082等。这些隔离器通常集成了RS-485收发器和隔离电源，可以提供高达2500V的隔离电压。

2.电源设计：隔离器需要两个独立的电源，一个用于隔离前的电路(如MCU)，一个用于隔离后的电路(如RS-485总线)。隔离电源可以使用隔离型DC-DC转换器来实现。

3.接口设计：RS-485接口通常需要一个120欧姆的终端电阻，用于抑制信号反射。此外，还可以添加TVS二极管和磁珠，用于防止静电放电和滤除高频噪声。

4.布线设计：为了减少电磁干扰，RS-485的A、B线应该尽可能地走在一起，且尽量远离高速或高电流的信号线。

5.软件设计：在软件中，需要正确设置RS-485收发器的工作模式(如半双工或全双工)，并根据需要设置数据速率、数据位、停止位和校验位。

我们需要注意的是，具体的设计可能还需要根据实际的应用需求和环境条件进行调整。同时还需要注意隔离器件的选型和质量，确保隔离电路的稳定性和可靠性。

三、485隔离电路的作用

提高通信的可靠性和稳定性：隔离电路可以防止电气噪声和电气冲击对系统造成干扰，从而提高系统的可靠性和稳定性。

保护设备安全：防止高电压冲击对设备造成损坏，从而保护设备的安全。

提高信号质量：隔离电路可以减少信号传输过程中的干扰，从而提高信号的质量。

扩展系统距离：RS-485接口可以支持长距离的数据传输，而隔离电路可以进一步扩展这个距离。

提高系统灵活性：使得系统在设计和布局上更加灵活，可以根据需要将设备放置在不同的位置。

兼容性好：RS-485隔离电路方案可以与各种设备和系统兼容，方便系统的集成和扩展。

在电参数仪的设计中，数据采集由单片机AT89C52负责，上位PC机主要负责通信(包括与单片机之间的串行通信和数据的远程通信)，以及数据处理等工作。在工作中，单片机需要定时向上位PC机传送大批量的采样数据。通常，主控PC机和由单片机构成的现场数据采集系统相距较远，近则几十米，远则上百米，并且数据传输通道环境比较恶劣，经常有大容量的电器(如电动机，电焊机等)启动或切断。为了保证下位机的数据能高速及时、安全地传送至上位PC机，单片机和PC机之间采用RS485协议的串行通信方式较为合理。

实际应用中，由于大多数普通PC机只有常用的RS232串行通信口，而不具备RS485通信接口。因此，为了实现RS485协议的串行通信，必须在PC机侧配置RS485/RS232转换器，或者购买适合PC机的RS485卡。这些附加设备的价格一般较贵，尤其是一些RS485卡具有自己独特的驱动程序，上位PC机的通信一般不能直接采用WINDOW95/98环境下有关串口的WIN32通信API函数，程序员还必须熟悉RS485卡的应用函数。为了避开采用RS485通信协议的上述问题，我们决定自制RS485/RS232转换器来实现单片机和PC机之间的通信。

单片机和PC机之间的RS485通信硬件接口电路的框图，如下图1所示。

从图1可看出，单片机的通信信号首先通过光隔，然后经过RS485接口芯片，将电平信号转换成电流环信号。经过长距离传输后，再通过另一个RS485接口芯片，将电流环信号转换成电平信号。

图1单片机与PC机之间的RS485通信硬件接口电路的框图(略)

该电平信号再经过光电隔离，最后由SR232接口芯片，将该电平信号转换成与PC机RS232端口相兼容的RS232电平。由于整个传输通道的两端均有光电隔离，故无论是PC机还是单片机都不会因数据传输线上可能遭受到的高压静电等的干扰而出现“死机”现象。

2接口电路的具体设计

2-1单片机侧RS485接口电路的设计

单片机侧RS485接口电路如图2所示。

AT89C52单片机的串行通信口P30(RXD)和P31(TXD)的电平符合TTL/CMOS标准(逻辑“0”的电平范围为0V～0.8V,逻辑“1”的电平为24V～VCC)，它们首先通过光电隔离器件6N137隔离，以保护单片机不受传输通道的干扰影响，其中T01和?T02是为了增加光隔输入端的驱动能力。光隔6N137的左侧电源与单片机相同，右侧必须采用另一组独立的+5V电源，且两组电源不能供电。

RS485协议的串行通信电路的设计与应用介绍

图2单片机侧RS485接口电路

RS485协议的串行通信电路的设计与应用介绍

图3MAX490的内部结构

MAX490[4]是MAXIM公司的RS485接口芯片，其内部结构如图3所示。MAX490支持单电源+5V工作，传输速率最高可达25MBPS，可实现全双工通信。其RO、DI端的逻辑“0”的电平在-0.5V～0.8V之间，逻辑“1”的电平在20V～VCC之间。输出电流环的电流在150μA～500μA之间。其工作状态为：当A端电压比B端电压高200mV以上，RO输出逻辑“1”，当A端电压比B端电压低200mV,RO输出逻辑“0”;当DI为逻辑“0”，输出Y低、Z高，当DI为逻辑“1”，输出Y高、Z低。图2中的电阻器RRS为MAX490的终端匹配电阻器。

2-2PC机侧RS485/RS232转换器的设计

RC机侧RS485/RS232转换器的电路如图4所示。

该电路首先通过MAX490芯片将单片机侧经远距离传输的电流环信号转换成TTL/CMOS标准

图4PC机侧RS485/RS232转换器的实际电路(略)

RS485协议的串行通信电路的设计与应用介绍

图5MAX232A的内部结构

的电平信号，然后通过光隔6N137隔离，得到两个同样是与TTL/CMOS电平相兼容的电平信号;最后，经RS232芯片转换成RS232电平：其中RS232电平的逻辑“0”的电平范围为-5V～-15V，逻辑“1”的电平范围为+5V～+15V。这里RS232电平转换芯片选 用MAXIM公司的MAX232A[4]，该芯片采用单电源(+5V)供电，RS232电平由内部电荷泵产生，其内部结构如图5所示。

在RS485/RS232转换器的设计过程中需要特别注意的是电源的设计。单片机侧和PC机侧的RS485芯片理论上可共用一个电源。实际上，如果稳压电路安装在单片机侧，同时又将此电源直接拉至PC侧的RS485/RS232转换器中，由于电源线可能长达上百米，电源线的线径又不可能选得很粗。如此远距离的传输将会导致电源电压在PC机侧有一个很大的落差，这样，有可能造成PC机侧的MAX490或光隔IC702工作不正常。一个比较好的解决办法是首先直接将单片机侧变压器输出的交流信号经长距离传输至RS485/RS232转换器，然后经整流和稳压，作为PC机侧MAX490和光隔IC702的供电电源。此外，RS232和光隔左侧的供电电源PCVCC可以利用PC机内部开关电源的+5V输出，或者由外部稳压电源提供。