无源光电隔离RS_232转RS_485接口转换器设计

ｄｉｏｄｅ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
１ 引言
２ 总体设计
随着现代工业自动化设备的增多和分布式控 制系统的发展，工业控制不断地采用局域网控制， 迫切需要一种能适合较远距离的数字通信的总线， ＲＳ－ ４８５ 接口的优势也就展露出来了，它成本低廉， 组网简单，而且通信距离可以满足一般工业应用， 因此获得了广泛的应用。
（兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 ７３００７０ ）
摘要：介绍了 ＲＳ－ ２３２ 接口与 ＲＳ－ ４８５ 接口无源光电隔离转换器的设计，采用简单实用的串口窃电技术，整
个电路使用了新型高速数字光电耦合器 ＨＣＰＬ－ ０６０Ｌ、肖特基势垒二极管等低功耗、低工作电压的元器件，并
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● 等效电路模型的新型三电平逆变器载波调制方法的研究
下
● 基于神经网络的新型复合速度控制器
期
● 基于功率直接反馈的双 ＰＷＭ 变频器仿真研究
收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯
片和仪器设备，因此通过光电耦合器将信号隔离，
进一步消除共模电压的影响。
这里选用高速数字光电耦合器 ＨＣＰＬ－ ０６０Ｌ。
它的特点是低功耗、电源电压范围为 ２．７～３．３ Ｖ、输
入电流可低至 ５ ｍＡ、速度 １５ ＭＢｄ、可在－ ４０℃～
８５℃温度范围内无故障运行等等 ［３］。无论是在节
ＲＳ－ ２３２、ＲＳ－ ４８５ 都是串行数据接口标准。在 ＲＳ－ ２３２ 协议中规定：典型的 ＲＳ－ ２３２ 信号在正负电 平之间摆动，发送数据时，发送端驱动器输出负电 平在＋５～＋１５ Ｖ，正电平在－ ５～－ １５ Ｖ 电平，收发线电 平都是对地电压，但是它的传输距离近，传输速率 比较低。ＲＳ－ ４８５ 为半双工，采用差分传输方式，也 称作平衡传输，它使用一对双绞线传输，可以消除 共模干扰信号［１］。通常情况下，发送驱动器两线之 间的正电平逻辑状态在＋２～＋６ Ｖ，负电平逻辑状态 在－ ２～－ ６ Ｖ。当在接收端 ＡＢ 之间有大于＋２００ ｍＶ 的电平时，输出正逻辑电平，小于－ ２００ ｍＶ 时，输出 负逻辑电平，接收器接收平衡线上的电平范围通常 在 ２００ ｍＶ 至 ６ Ｖ 之间。它的传输距离大于 １ ｋｍ， 而且允许双导线上一个发送器驱动 ３２ 个负载。
３．４ ＲＳ－ ４８５ 接口收发器 ＲＳ－ ４８５ 接口收发器的作用是将 ＴＴＬ 电平转
换成 ＲＳ－ ４８５ 的差分信号。本设计采用 Ｍａｘ３４８５ 作 为 ＲＳ－ ４８５ 的接口芯片，它的特点是工作电压是 ３．３ Ｖ，工作电流 １ ｍＡ，数据传输速率为 １０ Ｍｂｐｓ， 当驱动 ６０ Ω负载时峰值电流可达 ５０ ｍＡ［４］。
２００５ 年 第 ５ 期
孙宁先 无源光电隔离 ＲＳ－ ２３２ 转 ＲＳ－ ４８５ 接口转换器设计
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数据发送端，ＲＸ 是数据接受端，ＲＴＳ 是请求发送， 它控制着整个转换器的收发状态。
３ 电路的分析、设计及其元器件的选择
３．１ 串口窃电 ＲＳ－ ２３２ 接口中有 ３ 个发送信号，即数据终端
准备好 ＤＴＲ、请求发送 ＲＴＳ 和发送数据 ＴＸＤ。这 ３ 根输出信号线中，每根线上的典型输出电流为± ８ｍＡ，典型输出电压为±１２ Ｖ。经实验可知，当单独 从串口取电可以得到约 ５．５ Ｖ 的电压，但串接到 电路里，由于能量的损失，电压就降到 ３ Ｖ 多了， 因此这里采用 ３．３ Ｖ 电源供电。从 ＲＴＳ 和 ＤＴＲ 两 根信号线 上 可 获 取 的 输 入 功 率 为 Ｐ＝２ ×Ｕ×Ｉ ＝２ × １２×８＝１９２ ｍＷ，当电源转换效率为 ６０％，输出电压 为 ３．３ Ｖ 时，ＲＴＳ 和 ＤＴＳ 可提供的输出电流为 Ｉ＝ Ｐ．η／Ｕ＝３２ ｍＡ。如图 ２ 所示，尽管 ＴＸ 和 ＲＸ 是正 负变化的，但是为了尽可能地获取电能，采用从 ＤＴＲ、ＲＴＳ、ＴＸ、ＲＸ 四线取电，串接二极管接入稳 压管获得电源。使用的二极管是肖特基二极管 ＩＮ５８１７，电压降比较小约为 ０．４。根据 Ｖｏｍａｘ＋（Ｖｉ－ Ｖｏ） ｍｉｎ≤Ｖｉ≤Ｖｏｍｉｎ＋（Ｖｉ－ Ｖｏ）ｍａｘ 可以计算出稳压器的输入 电压范围［２］，设定输出电压的波动范围为±１０％，由 串口电平可以求出 ５．６ Ｖ≤Ｖｉ≤１２．０ Ｖ。选用比较 常用的稳压管 ７８Ｌ０５ 即可。
ｍｍ）挂接 ０．１ μＦ 的瓷片电容（Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８）。
表 １ ＨＣＰＬ－ ０６０ 功能表
ＬＥＤ
使能端
输出
１
０
开
０
１
Ｘ
０
１
１
关
０
１
Ｘ
０
３．２ ＲＳ－ ２３２ 接口收发器 ＲＳ－ ２３２ 接口电平标准：逻辑 １ 是－ ５～－ １５ Ｖ，
逻辑０ 是＋５～＋１５ Ｖ，它必须转换成标准的传输电平 ＴＴＬ 电平。由于工作电源电压为 ３．３ Ｖ，不能选取诸 如 Ｍａｘ２３２ 等需 ５ Ｖ 电源的接口收发器，这里选用
在通信线路中安装防雷设施是必不可少的，因 为威胁通信接口安全的主要因素是瞬态电压的干 扰，在此采用两只型号为 Ｐ６ＫＥ６．８ＣＡ 电的方 法，采用新型高速数字光隔 ＨＣＰＬ－ ０６０Ｌ，既隔离了 干扰信号、保护了仪器设备，又减少了元件的使用， 同时也采用了防雷保护。整个设计简单、实用、成本 低。
ｄｉｏｄｅ ｅｔｃ．． Ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｔａｉｌｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄ：ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｔｅａｌｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｓｅｒｉａｌ ｐｏｒｔ；ｏｐｔｉｃａｌ－ ｃｏｕｐｌｅｒ；Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ
能、低工作电压方面，还是在速度方面都满足条件，
更重要的是它具有选通输出功能，如表 １ 所示为功
能表。通过设置使能端可以使 ＲＳ－ ２３２ 接口收发器
ＳＰ２３２Ｅ 反向的 ＲＴＳ（请求发送信号）信号还原，省
略了反向器的使用。另外要注意的是该光隔是静电
敏感器件，拿取和焊接时应注意静电防护；为了减
少旁路电源噪声，在 ５ 脚和 ８ 脚 （距光隔管脚 １０
在通讯过程中会出现信号反射现象，实质上， 它是触发收发器从而引起误码，这主要是由于阻
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电气传动自动化
２００５ 年 第 ５ 期
Ｄ６，该器件可承受的电压范围是－ ５．８ ～１７１Ｖ； 瞬 间 承 受 的 功 率 约 为 ６００ Ｗ；反应速度快，典型的反应时 间小于 １ ｎｓ。可将它们分别连接在 ＲＳ－ ４８５ 接口收发器的接受线与地 线之间、发送线与地线之间来抑制 瞬态电压的干扰，从而避免雷电对 通信网络的破坏。
４ 结束语
抗不连续和阻抗不匹配引起的，所以在 ＲＳ－ ４８５ 网 络终端加 Ｒ６（１２０ Ω）的匹配电阻。异步通信数据 是以字节的方式传送，每一个字节在传送的时候， 总是先通过一个低电平起始位实现握手，为防止 干扰信号误触发 ＲＯ（收发器输出）或 ＤＩ（收发器 输入）产生负跳变，从而致使接收端 ＭＣＵ 进入接 收或发送状态［５］。因此，在 Ｍａｘ３４８５ 的管脚 ＲＯ 和 ＤＩ 接上拉电阻 Ｒ７ 和 Ｒ２。同理也在收发控制的管 脚 ＲＥ（低电平有效）和 ＤＥ（高电平有效）也要连接 上拉电阻 Ｒ３，具体的硬件电路如图 ３ 所示（没有 使用的管脚未标注出来 ）。上拉电阻 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 的取值影响着光隔 ＨＣＰＬ－ ０６０Ｌ 的可靠性，所以它 们的阻值范围是 ３３０ Ω～４ ｋΩ，为了一致，取 Ｒ１、 Ｒ２、Ｒ３、Ｒ７ 值为 １ ｋΩ。 ３．５ 防雷设施
由于串口的供电能力比较差，上述方法的元件 需＋５ Ｖ 电源，而且元件比较多、功耗大，显然是不 适合串口窃电的情况。本设计是采用串口窃电技术 的转换器，设计根本思路与传统方法相似，但是具 体设计和元件选择依托节能和较低的工作电压。整 体系统结构如图 １ 所示，由串口窃电、ＲＳ－ ２３２ 收发 器、光隔、ＲＳ－ ４８５ 收发器以及防雷设施组成。ＴＸ 是
参考文献： ［１］李朝青． ＰＣ 机及单片机数据通信技术［Ｍ］． 北京：北京航
空航天大学出版社，１９９９． ［２］戴伏生主编． 基础电子电路设计与实践［Ｍ］． 北京：北京
国防工业出版社，２００１． ［３］刘文豫，任 宏． 高速数字光电耦合器 ＨＣＰＬ－ ２６０Ｌ ／０６０及
其应用［Ｊ］． 设计应用． ２００３，（５）． ［４］傅丰林主编． 模拟电子线路基础［Ｍ］． 西安：西安电子科技
大学出版社，２００１． 作者简介：
孙宁先（１９７９－ ），男，辽宁省营口市 人，２００３ 年毕业于兰州交通大学，获 得工学学士学位，现为兰州交通大 学光电技术与智能控制教育部重点 实验室在读研究生，研究方向为控 制理论及控制工程。
收稿日期：２００４－ １２－ ２７
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目前，ＲＳ－ ２３２ ／４８５ 接口转换器的设计方法有 很多，设计的基本思路是将 ＲＳ－ ２３２ 接口电平转换 成 ＴＴＬ 电平，然后变成 ＲＳ－ ４８５ 接口电平，有的直 接用 ＲＴＳ 线控制收发器的数据收发，有的用单片 机控制收发器的数据收发。以前，硬件设计的方法 是先用 ＭＣ１４８９ 和 ＭＣ１４８８ 转换 ＴＴＬ 电平，经过光 电耦合器，最后用收发器 Ｍａｘ４８７ 或 Ｍａｘ４８５ 变成 ＲＳ－ ４８５ 的差分信号。此后，又用 ＭＡＸ 系列的 Ｍａｘ２３２ 来代替 ＭＣ１４８９ 和 ＭＣ１４８８。不过，因为 Ｍａｘ２３２ 在 ＴＴＬ 和 Ｒ－ Ｓ２３２ 相互转换过程中电平被 反向，如果用 ＲＴＳ（ＤＢ９ 针口发送请求）控制收发器 的收发状态，还要多用一个反向器将电平恢复才 行。
（Ｌａｎｚｈｏｕ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ＲＳ－ ２３２ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｎｔｏ ＲＳ－ ４８５ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ