RS-485總線基于平衡發(fā)送和差分接收，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，在遠(yuǎn)程有線數(shù)字通信領(lǐng)域使用非常廣泛。但它也存在一些缺點(diǎn)，如一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障會(huì)引起整個(gè)總線癱瘓、不能星型布線等。在總線上加裝一個(gè)RS-485集線器可以彌補(bǔ)這些缺陷，同時(shí)延長(zhǎng)通信距離。

　　RS-485集線器工作原理

　　RS-485集線器利用主485芯片把上位機(jī)總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平，然后以廣播方式分配給其它各支路的從485芯片，由從芯片再轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)發(fā)送到各分支總線上。圖1是四路集線器的應(yīng)用方案，圖的左側(cè)接RS-485總線上位機(jī)，右側(cè)接各分支下位機(jī)。

　　由圖1可以看出，RS-485集線器起到了中繼器延長(zhǎng)距離和擴(kuò)充終端數(shù)量的作用。對(duì)于四路集線器，它的四個(gè)分支總線可以分別按串行方式布線，相當(dāng)于把原來(lái)的一組總線按星型方式分成了四組，解決了布線的局限性。另外，當(dāng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致總線短路時(shí)，只會(huì)影響到它所在的一組分支總線，而不會(huì)影響到其它三組。

　　圖1 RS-485集線器應(yīng)用方案

　　圖2 防雷擊浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)原理圖

　　圖3 自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)原理圖

　　圖4 故障自動(dòng)隔離模塊原理框圖

　　RS-485集線器設(shè)計(jì)

　　參照?qǐng)D1的工作原理，各模塊設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下。

　　電源設(shè)計(jì)

　　出于隔離保護(hù)和抗干擾的考慮，5個(gè)485芯片采用5V隔離電源模塊供電，使主、從電路相互隔離。

　　信號(hào)隔離設(shè)計(jì)

　　所有分支信號(hào)與主站信號(hào)之間都采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)各分支之間、各分支與主站之間全部隔離。

　　防雷擊浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，所有總線出口都采用防雷管和TVS管構(gòu)成兩級(jí)保護(hù)?？偩€感應(yīng)到雷擊等高壓大能量信號(hào)時(shí)，先通過(guò)防雷管提供的線線間、線地間防雷保護(hù)功能，使雷擊過(guò)電壓被迅速泄放，泄放過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會(huì)在電路中感應(yīng)出一個(gè)尖峰電壓，次級(jí)保護(hù)使用的TVS管可以將上述尖峰電壓吸收。如果有較大的電流，可以通過(guò)熱敏電阻的高阻值來(lái)降壓。

　　零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　如圖3所示，利用485芯片的數(shù)據(jù)輸入端DI通過(guò)非門(mén)來(lái)控制收發(fā)控制端DE/RE。電阻、電容的作用是為了補(bǔ)償DI到DE之間信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)。

　　故障自動(dòng)隔離設(shè)計(jì)

　　該模塊的設(shè)計(jì)原理是用模擬開(kāi)關(guān)串接在各分支路的接收數(shù)據(jù)線上，通過(guò)單片機(jī)監(jiān)測(cè)這些接收數(shù)據(jù)，判斷是否出現(xiàn)故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)使能端斷開(kāi)該路模擬開(kāi)關(guān)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警，待故障恢復(fù)后再使其自動(dòng)接入，原理框圖如圖4所示。

　　單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　485從芯片的RO取反后接485主芯片的RE/DE。若RO為高，主芯片處于接收上位機(jī)數(shù)據(jù)狀態(tài);若RO一直為低，則主芯片一直對(duì)上位機(jī)發(fā)送，算是故障狀態(tài)。

　　單片機(jī)內(nèi)部設(shè)2秒為一個(gè)循環(huán)判斷周期。在這2秒內(nèi)，如果有持續(xù)10ms的高電平，則視為正常無(wú)故障，導(dǎo)通模擬開(kāi)關(guān);若沒(méi)有，則視為故障，斷開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)。

　　單片機(jī)的主程序流程如圖5所示。單片機(jī)的定時(shí)中斷程序流程如圖6所示。

　　整個(gè)四路RS-485集線器的電路如圖7所示(篇幅有限，其中不包含電源)。

　　圖5 單片機(jī)主程序流程圖

　　圖6 單片機(jī)定時(shí)中斷程序流程圖

　　圖7 四路RS-485集線器設(shè)計(jì)原理圖

　　結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)在工程中運(yùn)行正常，可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的零延時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換、故障支路自動(dòng)排除以及故障恢復(fù)后自動(dòng)接入，最高波特率可達(dá)到115200bps。同時(shí)可以星型布線，延長(zhǎng)RS-485通信距離，增加帶負(fù)載能力，使得復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境下組建大規(guī)模RS-485網(wǎng)絡(luò)的很多問(wèn)題迎刃而解，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。