光电隔离

带隔离的增强型RS-485接口电路图
磁耦隔离iCoupler技术，是由ADI公司设计开发的一项适合高压环境的隔离电路的专利技术，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管（LED）与光敏三极管结合，因采用了高速的iCOMS工艺，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光耦。

同时能满足医用设备高电压工业应用、电源以及其它高隔离度环境的严格隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、数据转换器接口、各种总线隔离以及其它多通道隔离应用。

图1 ADM2483功能内部框图
ADM2483是带隔离的增强型RS-485 收发器，其内部框图如图1所示，它包括一个三通道隔离器、一个带三态输出的差分驱动器和一个带三态输入的差分接收器。

1/8 单位负载的接收器输入阻抗可允许多达256 个收发器接入总线，最高传输速率可达500Kbps。

逻辑端兼容3V/5V 工作电源，总线端5V 供电。

图2 ADM2483BRW典型应用电路
ADM2483与其它RS-485 接口芯片相比，集成了磁隔离技术，仅需要一个外部的DC/DC电源即可。

ADM2483应用电路如图3所示，本电路仅供参考，若遇特殊应用，为了设备及系统安全，可以选择相应的其它保护措施，如TVS 等等。

89c51单片机采用光耦隔离485电路原理图
--------以上部分请勿修改！-------------
提高485总线的可靠性
摘要：就485总线应用中易出现的问题，分析了产生的原因并给出解决问题的软硬件方案
和措施。

关键词：RS-485总线、串行异步通信
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1 问题的提出
在应用系统中，RS-485半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的数据通信总
线，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。

系统简图如图1所示。

图1. RS-485系统示意图
由于实际应用系统中，往往分散控制单元数量较多，分布较远，现场存在各种干扰，所
以通信的可靠性不高，再加上软硬件设计的不完善，使得实际工程应用中如何保障RS-485总
线的通信的可靠性成为各研发机构的一块心病。

在使用RS-485总线时,如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能有以下两个问
题出现。

一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下，一个节点的故障（如死
机），往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。

针对上述问题，我们对485总线的软硬件采取了具体的改进措施
2 硬件电路的设计
现以8031单片机自带的异步通信口，外接75176芯片转换成485总线为例。

其中为了实现
总线与单片机系统的隔离，在8031的异步通信口与75176之间采用光耦隔离。

电路原理图如
图2所示。

图 2 改进后的485通信口原理图
充分考虑现场的复杂环境，在电路设计中注意了以下三个问题。

SN75176 485芯片DE控制端的设计
由于应用系统中，主机与分机相隔较远，通信线路的总长度往往超过400米，而分机系
统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。

如果在此时某个75176的DE端电位为“１”，那
么它的485总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与
主机进行通信。

这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下（死机），会使整个系统通信
崩溃。

因此在电路设计时，应保证系统上电复位时75176的DE端电位为“0”。

由于8031在复
位期间，I/O口输出高电平，故图2电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。

隔离光耦电路的参数选取
在应用系统中，由于要对现场情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较
高（通常都在4800波特以上）。

限制通信波特率提高的“瓶颈”，并不是现场的导线（现场
施工一般使用5类非屏蔽的双绞线），而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。

此
处采用TIL117。

电路设计中可以考虑采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以优化普
通光耦电路参数的设计，使之能工作在最佳状态。

例如：电阻R2、R3如果选取得较大，将会
使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两
只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异，这
一点在电路设计中要特别慎重，不能随意，通常可以由实验来定。

485总线输出电路部分的设计
输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。

由于工程环境
比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。

在电
路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS 瞬态杂波抑制器
件，或者直接选用能抗雷击的485芯片（如SN75LBC184等）。

考虑到线路的特殊情况（如某一台分机的485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分
机的通信受到影响，在75176的485信号输出端串联了两个20Ω的电阻R10、R11。

这样本机的
硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。

在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，
所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻（如图2中
R8），以减少线路上传输信号的反射。

由于RS-485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为± 200mV，即差分输入端VA－VB ≥
+200mV，输出逻辑1，VA－VB ≤－200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200mV
时，输出为不确定。

如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通
信帧的起始引起工作不正常。

解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B 两端电位，这样
RXD的电平在485总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平，8031单片机就不会被误
中断而收到乱字符。

通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R7、R9，即可很好地
解决这个问题。

3 软件的编程
485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。

由于485总线是异步半双工的通信总
线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询
方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一
套合理的通信协议来协调总线的分时共用。

这里采用的是数据包通信方式。

通信数据是成帧
成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。

其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机
对分机（或分机应答主机）的控制命令；地址码是分机的本机地址号；“内容”是这一包数
据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方
式。

在485芯片的通信中，尤其要注意对485控制端DE的软件编程。

为了可靠的工作，在485
总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。

具体的做法是在数据发送状态下，先
将控制端置“1”，延时1ms左右的时间，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时
1ms后，将控制端置“0”。

这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。

4 结论
经过以上的软硬件共同处理，RS-485总线在应用系统工程中的可靠性大大提高，在通常
的环境条件下，24小时连续开机，系统的通信始终处于正常状态，整机性能满足了现场工程
的需要。

但是RS-485总线仍然只是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不
能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据的冗余量较
大，对于速度要求高的应用场所不适宜用RS-485总线。

同时由于RS-485总线上通常只有一台
主机，所以这种总线方式是典型的集中－分散型控制系统。

一旦主机出现故障，会使整个系
统的通信陷于瘫痪状态，因此做好主机的在线热备份是一个重要措施。

尽管RS-485总线存在这样那样的问题，但由于它的线路设计简单、价格低廉、控制方
便，只要合理的使用在某些场所仍然能发挥良好的作用。

RS-232/RS-485无源转换电路设计
RS-232、RS-485都是串行数据接口标准。

由于它们的接口电路简单，通用性比较好，所以在控制领域有着广泛的应用。

RS-232和RS-485有着各自的优缺点：RS-232是低速率串行单端标准，采取不平衡传输方式(即所谓单端通信)，收、发端的数据信号是相对于信号地的电平而言，其共模抑制能力差，传送距离短，其为点对点的通信方式；RS-485采用平衡传输方式，可以实现多点通信，由于采用了有别于RS-232电平方式的差分方式，使得在通信速率、抗干扰和传输距离方面都有较大的改善。

但由于现用的工控PC机大多都只直接提供RS-232接口，所以为了实现RS-485与监控系统的接口，往往需要另加转换接口，从而使得网络构成相对比较复杂，使用也不方便。

为了克服使用上的不便，本文设计了一种RS-232/RS-485通用接口。

为了克服以往在单端情况下只能232或485不能同时接口的局限，本文利用Maxim公司的ICL7662芯片设计一种通用接口。

下面就ICL7662芯片及电路原理作全面地介绍。

1 ICL7662电压转换器
ICL7662是由美国Maxim 公司提供的一种CMOS电压转换器，主要特性为：
◆转换电压为～20V到～-20V;
◆转换效率高达％；
◆外围电路简单，最小只需两个储能电容。

引脚说明如表1所列。

2 ICL7662电压转换器工作原理
ICL7662原理性图解如图1所示。

在ICL7662工作周期的前半个周期，S1和S3闭合，S2和S4断开，C1由输入电压充电到VIN。

在接下来的后半个周期， S1和S3断开，S2和S4闭合。

在电路电阻非常小的情况下，就会由C1放电在C2上，在C2两端形成-VIN。

根据该芯片的工作原理，本文做了大量的试验，如果在C2两端加上-VIN，根据同样的原理，会在C1上形成相当于VIN的电压。

根据此特性非常有利于从信号端“窃取”电源，即不管是在正电源端还是负电源端，只要某一端有足够的电平，芯片就会高效地完成“窃电”。

本文就针对这一特性设计了无源的RS-232/RS-485转换电路，如图2所示。

注:①本原理图为通用方式的RS485接口原理，2个TVP用于ESD防护，外加2个自复位
保险丝PCT;
②下半部分用于无源RS232→RS485的转换电路，保证两端同时可用，但在系统中只
能有一端为主，且RS232应为标准232口，232口发送数据在485口可见。

3 通用硬件设计说明
本文设计的接口电路主要是针对工业现场控制终端，由于各种控制要求不同，所以对控制终端的配置各异。

但总体要求是某一终端故障不应影响系统其余部分的功能，要便于终端与监控系统之间的接口。

所以，本文设计中对于RS-485与RS-232的转换采用了无源的转换方式，而非常规的RS-232与RS-485标准转换，既便是与PC相连的终端单元掉电，也不会影响系统中其它单元的正常通信。

图2为接口电路的原理图。

在图中的上半部分用美国Maxim公司的485芯片MAX487构成标准RS-485接口电路，其中2片P133为快速光电耦合器，用于把控制内核部分与网络隔离开，控制端口用相对廉价一点的TPL521隔离。

TVS1和TVS2为瞬态电压抑制二极管，用以对网络上的高压噪音干扰进行吸收，保护接口芯片MAX487免予损坏。

PCT1和PCT2为自复位保险丝，在网络过流的情况下起保护作用。

在网络过流时进入高阻限流状态，在网络恢复正常的情况下，又恢复到正常零电阻的工作状态下。

R7为可选终端匹配电阻。

该接口电路简单、可靠。

图2的下半部分为本文的重点部分，完成RS-232与RS-485标准之间的无源转换。

该部分的核心为Maxim公司的负电源转换芯片ICL7662。

电路的工作电源来自于RS-232的发送信号线PTXD，由电荷泵ICL7662进行正负电源转换，能量存储于储能电容C1、C2、C3中，作为本部分电路的工作电源。

根据EIA的标准，RS-232在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 5V~ 15V(逻辑0)，负电平在-5V~-15V(逻辑1)，接收器的典型电平在 3~ 12V与-3~-12V(见参考文献[1])之间，RS-485的接收门限为 /-200mv(见参考文献[2])。

由MAX487完成RS-232与RS-485标准之间的转换，电路自动完成收发控制的转换。

本部分对控制内核来讲处于无源工作状态下，不受所在终端工作状态的影响，自动完成收、发状
态控制，避免网络“死锁”。

当电路所在的节点不接RS-232时，本部分电路不工作，使得系统的功耗最小。

当节点通过RS-232与系统通信时，监控系统的数据首先转换到RS-485网上，节点数据先经过本节点转换电路转换到RS-232的电平状态，然后与监控系统通信。

4 总结
通过大量的工程实践证明，该电路简单可靠，经济实用，克服了有些电路在电源采集信号端长期处于某一电平时，电路电源中断的弊端。

同时根据RS-485半双工总线的特性，本文巧妙地实现了RS-485在收发之间的自动转换，避免了由于操作不当造成的总线“死锁”现象。

实践证明，不管是与信号电平相对较低的便携式电脑接口还是与台式机接口，本电路都能可靠工作，在通信速率300b/s~19200b/s范围内，长期运行未发现通信有任何异常现象。

光电隔离器6N137原理及应用
简单的原理如图2所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表所列，这相当于非门的传输，若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。

6N137的结构原理如图1所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。

当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。

输出端由模块II供电，Vcc2=。

在Vcc2（脚8）和地（脚5）之间必须接一个高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。

这个电容可以吸收电源线上的纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。

脚7是使能端，当它在时强制输出为高（开路）；当它在时允许接收端工作，见附表。

脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻RL。

虽然输出低电平时可吸收电路达13mA，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。

因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。

一般可选Ω，若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，则用47kΩ或15kΩ也行。

CL是输出负载的等效电容，它和RL影响器件的响应时间，当RL=350Ω，CL=15pF时，响应延迟为48-75ns。

注意：6N137不应使用太多，因为它的输入电容有60pF，若过多使用会降低高速电路的性能。

情况允许时，可考虑把并行传输的数据串行化，由一个光电隔离器传送。

隔离器使用方法如图2所示，假设输入端属于模块I，输出端属于模块II。

输入端有A、B两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输，其中RF为限流电阻。

发光二极管正向电流0-250uA，光敏管不导通；发光二极管正向压降，正向电流，光敏管导通。

若以B方法连接，TTL电平输入，Vcc为5V时，RF可选
500Ω左右。

如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大对Vcc1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达100mV以上，足以使模拟电路产生自激，A/D不能正常工作。

所以在可能的情况下，RF应尽量取大。

电源部分由隔离变压器隔离，减少电网中的噪声影响，数字电源和模拟电源不共地，由于模拟电路一般只有±15V，而AD转换器还需要+5V电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离，+5V电源由+15V模拟电源经DC-DC变换器得到。

模拟电路以及AD转换电路与数字电路的信号联系都通过6N137。

逐次比较型AD并行输出12位数据，每一路信号经缓存器后送入6N137的脚3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用470Ω，输出端上拉电阻选用
47kΩ，输出端电源和地间（即6N137的脚8与脚5间）接瓷片电容，作为旁路电容以减少对电源的干扰，6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时才工作，减少工作电流。

模拟电路和AD转换所需的各路控制信号也通过
6N137接收，接法同上，在时序设计中要特别注意6N137约有50ns的延时，与未采用光电隔离器的数据采集电路相比，系统信噪比提高了一倍以上，满足了系统设计要求。

某一数据采集系统，要求信噪比1000，12位量化级别，并行数据传输，数据传输率500KB/s。

要达到上述要求，AD能否达到转换精度是个关键。

在未采用光电隔离器的电路中，虽采取了一系列措施，但因各模块间地线相连，数字电路中尖峰噪声影响仍很大，系统信噪比仅达500.故我们采用6N137将模拟电路及AD变换器和数字电路彻底隔离，电路如图3所示。

6N137应用实例：信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。

从信号通路来说，AD变换之前是模拟电路，之后是数字电路。

模拟电路和AD变换电路决定了系统的信
基于ADM2483的485通信替代方案
摘要:本文简要的介绍了ADI的磁耦隔离芯片ADM2583对基于485芯片的485通信的替代方法.
关键字: RS-485 ADM2483 光耦 iCoupler 磁耦
引言:
在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。

这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。

从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。

但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此对RS-485进行隔离保护,提高其可靠性至关重要。

1 传统的控制器通过485通信的方式
传统的485总线隔离方法是光耦合隔离技术,使用光耦来隔离和保护检测电路,以及在高压和低压之间提供一个安全接口.目前一般使用6N137为光电隔离器件，以东芝的6N137为例：工作电压5V，最高速率为10Mbps,工作温度为
0~70℃。

隔离电压为2500V（有效值），并以DIP-8型封装，每个芯片仅提供一个通道，这些性能已经限制了6N137在更高的环境中使用，因此在本方案中我们使用了ADI公司的带485/422电平转换的高速隔离收发器ADM2483系列中的ADM2483，使用更灵活，方便大大缩短了开发周期。

图1、传统485通信基本原理图
2 ADM248
3 iCoupler------ADuM系列简介
ADM2483是ADuM系列高性能数字隔离器大家族中的一员，ADuM系列高性能数字隔离器是ADI公司推出的新型产品。

采用的iCoupler技术是基于芯片尺
寸的变压器，该技术集成变压器驱动和接收电路，从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势；由于使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造iCoupler变压器，所以iCoupler通道比光电耦合器有效地实现通道之间的集成，以及比较容易地实现其他半导体功能。

ADM2483的主要特性与应用：
1、集成了数据隔离的RS485收发器
2、传输速率为：500KBPS
3、支持热关断保护
4、总线可扩展256个节点
5、防浪涌击穿保护
6、兼容5V/工作电压
7、低功耗：最高为
8、工作温度-40℃----+85℃
9、封装SOW-16
10、不用任何外接保护器件
图2、ADM2483功能示意图
3结语
本方案已通过实际应用电路验证，成板效果良好。

由于电路接法简单方便，本方案中没有过多讲述。

磁耦数字隔离已成为一种应用趋势，本方案为485通信应用设计提供了一定的参考价值。

参考文献:
1、<<RS-485总线通信系统的可靠性措施>> 技术摇篮( 作者:佚名2007-5-15
2、ADI公司 ADM2483 datasheet 2005-03
3、《采用ADUM1201的CAN总线隔离方法》李英徐丽 2006-04
ADM2582E/ADM2587E-完全集成式隔离数据收发器
本文主要简单介绍RS-485总线标准，以及比较几种常见的RS-485电路，并重点介绍美国模拟器公司（ADI）最新量产的具备±15 kV ESD保护功能的完全集成式隔离数据收发器ADM2582E/ADM2587E，一个集成隔离DC/DC电源，适合用于多点传输线路上的高速通信应用的数据收发器。

1.引言
随着现代化社会生活的迅速发展，工业自动化的程度越来越高。

在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。

但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS-232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外，RS-232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15 米。

为了解决上述问题，RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。

RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。

因为RS-485的远距离、多节点（256个）以及传输线成本低的特性，是EIA RS-485称为工业应用中数据传输
的首选标准。

ADI公司的ADM2582E/ADM2587E器件针对均衡的传输线路而设计，符合ANSI/TIA/EIA RS-485-A-98和ISO 8482:1987(E)标准。

它采用ADI公司的iCoupler®技术，在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收机和一个isoPower DC/DC转换器。

该器件采用5V或单电源供电，从而实现了完全隔离的RS-485解决方案。

2．RS-485 标准介绍
电子工业协会（EIA）于1983 年制订并发布RS-485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为RS-485标准。

RS-485标准是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的。

RS-485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。

RS-485标准数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），也称作平衡传输，RS-485标准的最大传输距离约为1219 米。

通常，RS-485网络采用平衡双绞线作为传输媒体，平衡双绞线的长度与传输速率成反比。

在这里尤为注意并不是所有的RS-485收发器都能够支持高达10Mbps的通讯速率。

如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。

3．几种典型的RS485电路设计
(1)、传统的RS485电路
作为一种常用的通讯接口器件，RS-485/RS-422 芯片可以在许多半导体公司中找到对应的型号，比如ADI 公司（器件前缀为ADM）。

大部分工业RS-485总线的客户应用如下的电路连接方式如图1所示，其485电路主要由2或3个快速光耦，RS-485收发器件以及隔离电源模块组成，优点是连接简单，价格便宜，缺点是用的器件较多，占用的PCB面积大，而且光电耦合器的在速度限制、功耗以及LED老化上受到限制。