基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器

摘要：為簡化總線式RS485隔離器的設計，提出基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器的技術方案。該方案具有簡單實用、無需電源、無需考慮數據流向、在有限范圍內波特率自適應、底層用戶群體易于理解和掌控等特點。給出了基本實驗電路和脈沖變壓器的主要設計依據。基于脈沖變壓器的總線式RS485隔離器，尤其適合工業環境下半雙工的A、B兩線制RS485通信網的升級改造，其基本思想也適用于全雙工的W、X、Y、Z四線制RS485／RS422通信網。
關鍵詞：轉換式RS485隔離器；總線式RS485隔離器；脈沖變壓器；脈沖寬度；過渡時間；波特率

面對越來越多的設備、儀表采用了A、B兩線制標準RS485接口，流行至今的轉換器式RS485隔離器模式以及該模式所涉及的各種新技術、新器件，客觀上只能越來越傾向于通信板卡的設計人員，而無法顧及廣大的RS485通信網底層用戶群體。另一方面，RS485具有的單極性脈沖驅動、總線式多節點連接、收發同線以及低阻抗負載等特殊性，使總線式RS485隔離器的設計遠比轉換器式RS485隔離器復雜和困難得多。筆者另辟蹊徑、力求簡捷，旨在較好地解決這一難題。

1 技術背景
1．1 RS485及其總線信號特征
RS485是一種經濟型的傳統工業總線方式，支持點對多點半雙工數據通信，收發信號分時占用同一總線(雙絞線)。為避免總線沖突，0電平時A、B線由芯片輸出端真實驅動，并使UB-UA=5 V；而1電平時或總線空用時，芯片輸出端呈現高阻，A、B線改由外接電阻偏置，并使UA略大于UB。
遠程數據連接通常存在較大的地電位差，由此形成的共模干擾過大時，往往造成誤碼或硬件損壞。采用節點隔離器進行電氣隔離，是保障安全通信的有效措施。
1．2 RS485隔離器的常見類型
按供電形式區分，RS485隔離器可分為有源隔離器和無源隔離器。其中無源隔離器雖然簡單，但因由串口竊電，使RS485應有的驅動能力也大打折扣，所以僅適合節點數不多的通信網絡。目前有源隔離器已成為RS485隔離器的主流，而且隔離器中的接口側電路由接口內的芯片電源直接供電(而非串口竊電)或由外接電源供電，該電源再經隔離型DC—DC為該隔離器的線路側電路供電。
按隔離元件區分，除了經典的分立式光電隔離器，還有近年出現的集成化單片隔離器。這類單片隔離器技術先進、封裝小巧、性能優異，其中包括以ADI公司基于芯片級變壓器的ADM2587E和ADM2582E為代表的磁隔離器、以TI公司lSO1176T為代表的電容隔離器和以NVE公司IL3585為代表的巨磁介質隔離器等。
1. 3 RS485隔離器的端子模式
出于數據流向自動識別和控制的需要，常見的RS485接口芯片都采用了相同的引腳模式，即：MCU側為DI、RO、DE、RE，總線側為A、B。受此影響，絕大多數RS485隔離器也不約而同地沿襲了這種做法，即：設備接口側端子為T(發送)、R(接收)、C(方向控制)，總線側端子為A、B。這類RS485隔離器實際上相當于(或者就是)帶有隔離功能的RS232／RS485轉換器。如果按照RS485隔離器來理解，我們不妨將這類帶有隔離功能的轉換器稱為轉換式RS485隔離器。顯然，轉換式RS485隔離器的兩側端子不同，電路也不對稱，因此有固定的安裝方向，兩側不可對調。1．2中所述隔離器均屬于轉換式RS485隔離器。
1．4 為底層用戶著想
至少在十年前，轉換式隔離器用于BS485總線節點隔離還是非常適宜的，因為那時的PC機及其它工業設備基本上還保留著RS232接口，所以實現起來既順理成章，又輕而易舉。然而時至今日，各種新產品中早已難見RS232蹤影，取而代之的是A、B二線制(或稱A、B、GND三線制)的標準BS485接口。在這種情況下，一種新的、直接串接在A、B二線制總線上的總線式RS485隔離器，將會更受廣大RS485底層用戶群體的歡迎。

2 新需求帶來新思路
總線式RS485隔離器的基本設計要求是：
1)兩側端子相同、內部電路對稱；
2)可直接串入A、B總線中而無需任何轉換；
3)能勝任點對多點通信；
4)盡可能避免使用外接電源；
5)結構簡單、安裝簡便；
所幸的是，武漢波士公司推出了一款并宣稱是世界上唯一的無源BS-485光電隔離器——BS485A。據稱，該隔離器兩頭完全一樣，均為A、B、(GND)，不分方向，無需收、發控制信號。暫且不論其負載能力如何，也不論其能否勝任點對多點通信，至少它的出現將使得用戶在已有RS485總線上加裝隔離器變得如同在已有RS232總線上加裝隔離器一樣簡單方便，而且無需外接電源。這應該是件了不起的事情，同時也符合筆者的創作取向。