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工控系统中的RS485通讯接口设计

供稿:成都英创信息技术有限公司 2016/6/24 13:40:42

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  • 关键词: 工控系统 RS485 通讯接口设计
  • 摘要:在工业控制、采集等现场应用中,非常普遍地都会使用到RS485、CAN等通讯接口。在山区雷雨季节,雷电辐射电流会通过通讯线缆直接导致系统损坏。所以,需要对这类通讯接口进行物理隔离,达到保护系统正常运行的要求。

  在工业控制、采集等现场应用中,非常普遍地都会使用到RS485、CAN等通讯接口。同时这类通讯线缆连接的两个设备相隔距离又比较远(最长的距离会达到1公里以上)、设备工作环境也比较恶劣(机器机房、山区、电站)。所以,如此长的通讯线缆,会有效的把系统外的干扰信号或电磁脉冲接收到板子上。如果没有对这部分信号进行处理,这些有害的信号则有可能使系统运行出错,严重的会导致系统物理损坏。在山区雷雨季节,雷电辐射电流会通过通讯线缆直接导致系统损坏。所以,需要对这类通讯接口进行物理隔离,达到保护系统正常运行的要求。


  最基本的设计思路,可以参考下面的说明:


1、电路设计


  由于通讯接口要连接较长的通讯线缆,所以通讯接口在系统中,就是主要的干扰源输入端口。在电路设计的时候,需要把这部分电路完全物理隔离开,包括这部分的工作电源,同时端口驱动芯片也需要选用有一定防护能力器件(如SN74LBC184,接触放电:+/-30KV 空隙放电:+/-15KV 人体放电:+/-15KV)。


  在电气隔离方面,最常用的电路设计方法就是使用光电隔离器件(或磁耦器件),将系统中的信号进行物理隔离后,传输给端口驱动器件,同时必须给端口驱动部分提供独立的电源(单独使用一个电源、或者是使用隔离电源)。如下图所示:


  上图中,串口通讯信号经过关电隔离器件H11L1后,连接到RS485驱动器件SN75LBC184器件上,同时RS485驱动器件的收/发控制信号RTS,也经过光电隔离器件TL181。图纸中的ISO_VCC及ISO_GND地线是一组电源,5V0及GND是一组电源,这两组电源是物理隔离的。经过这样设计,串口的收、发信号、控制信号和电源,全部都达到了物理隔离的要求。


2、光电隔离器参数


  由于每颗光电隔离器都有它的工作参数,如数据传输率、输入二极管正向电流IF、输出电流等IC,它们决定了光电隔离器的工作状态与稳定性。


  如TLP181的推荐工作参数:



推荐工作参数



电气特性



传输特性



输出特性


  这里VF是输入二极管正向压降1.15V(IF=10mA),IF是输入二极管正向电流,如IF值太小,光电接收器处于不饱和状态,数字信号传输特性变差;如IF值太大,对信号驱动器的驱动能力要求增加。所以在实际的应用中,根据数据传输率和信号驱动器的能力,选择合适的关电隔离器与匹配限流电阻。


  如参考图中的U18,在这里是作为RS485的RTS信号,所以数据传输率不会太高,结合实际使用情况,U18的数据传输率能满足4800已经足够;同时,基于英创工控主板的电气特性,驱动端驱动电压为3.3V、最大驱动电流为10mA左右,所以控制IF电流的电阻选择330欧姆,即:IF=(3.3V-1.15V)/ 330≈7mA,再根据传输特性得到和输出特性得到,VCE≈0.6V,最后IC=(5.0V-0.6V)/5.1K≈1mA。(隔离后的供电为5V)。


  所以在参考图中,选用了合适的器件与匹配电阻,这即保证了数据传输要求,也控制电流在器件的安全工作范围。


3、PCB板布局及走线


  在原理图上,实现了信号的电气物理隔离,同时在电路板上,也需要实现信号的物理区域,因为PCB上的铜皮线条之间类似于电容,即所说的“寄生电容”,特别是需要隔离的这部分信号线相隔太近时,很大一部分干扰信号或脉冲会通过寄生电容耦合到系统端,对系统运行造成干扰或对系统造成损坏。


  下两图是EM9280EVB上的RS485部分PCB板,以光电隔离器件为界,系统与接口驱动部分有非常明显的物理界线,使干扰信号不能通过PCB铜线间传输到系统。



EM9280EVB 电路板  RS485驱动部分:正面



EM9280EVB 电路板  RS485驱动部分:反面


3、端口保护及布线


  电路上处理好的系统,一般的电磁干扰信号,都不会影响到系统的正常运行。但是对于一些脉冲干扰信号,它们有一定的能量,足够损坏驱动器件。特别地,在山区的系统,夏季雷雨季节时,雷电感应电流也比较大,完全足够损坏整个接口。所以接口上还需要独立的保护器件对接口驱动器件进行保护。最常见的方法,就是在端口上并上一颗TVS器件。如果需要对遭遇雷电感应电流时有所保护,端口可能就更加复杂。可以参考下面的电路。




  这是简单的端口保护,TVS为单向器件,对一般的接触放电等可以起保护作用。该电路对雷电感应电流,是没有防护能力的。




  遭遇雷电感应电流时,该电路对端口驱动器件有一定防护作用,TVS为双向器件,BJ1为陶瓷气体放电管,5A/5KA 90V信号专用,RZ1为压敏电阻。


  为了有效地对电路系统起到保护,有了端口保护电路,还需要在布通讯线缆的时候,采取一些必要的措施,如:

  1、通讯线缆与动力电线缆分开走线

  2、通讯线缆尽可能从专用走线槽走线

  3、对于山区、野外的布线,应当让线缆从地下(线管、地沟、走线沟)布线

  4、使用带屏蔽层的双绞通讯线,同时屏蔽层与现场的安全接地电,可靠连接

  5、对于防雷有一定要求的应用中,必须按照3、4点布线,同时BJ1的中间头也需要连接到现场的安全接地点。

更多内容请访问 成都英创信息技术有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=5085)

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