基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器

摘要：为简化总线式RS485隔离器的设计，提出基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器的技术方案。该方案具有简单实用、无需电源、无需考虑数据流向、在有限范围内波特率自适应、底层用户群体易于理解和掌控等特点。给出了基本实验电路和脉冲变压器的主要设计依据。基于脉冲变压器的总线式RS485隔离器，尤其适合工业环境下半双工的A、B两线制RS485通信网的升级改造，其基本思想也适用于全双工的W、X、Y、Z四线制RS485／RS422通信网。
关键词：转换式RS485隔离器；总线式RS485隔离器；脉冲变压器；脉冲宽度；过渡时间；波特率

面对越来越多的设备、仪表采用了A、B两线制标准RS485接口，流行至今的转换器式RS485隔离器模式以及该模式所涉及的各种新技术、新器件，客观上只能越来越倾向于通信板卡的设计人员，而无法顾及广大的RS485通信网底层用户群体。另一方面，RS485具有的单极性脉冲驱动、总线式多节点连接、收发同线以及低阻抗负载等特殊性，使总线式RS485隔离器的设计远比转换器式RS485隔离器复杂和困难得多。笔者另辟蹊径、力求简捷，旨在较好地解决这一难题。

1 技术背景
1．1 RS485及其总线信号特征
RS485是一种经济型的传统工业总线方式，支持点对多点半双工数据通信，收发信号分时占用同一总线(双绞线)。为避免总线冲突，0电平时A、B线由芯片输出端真实驱动，并使UB-UA=5 V；而1电平时或总线空用时，芯片输出端呈现高阻，A、B线改由外接电阻偏置，并使UA略大于UB。
远程数据连接通常存在较大的地电位差，由此形成的共模干扰过大时，往往造成误码或硬件损坏。采用节点隔离器进行电气隔离，是保障安全通信的有效措施。
1．2 RS485隔离器的常见类型
按供电形式区分，RS485隔离器可分为有源隔离器和无源隔离器。其中无源隔离器虽然简单，但因由串口窃电，使RS485应有的驱动能力也大打折扣，所以仅适合节点数不多的通信网络。目前有源隔离器已成为RS485隔离器的主流，而且隔离器中的接口侧电路由接口内的芯片电源直接供电(而非串口窃电)或由外接电源供电，该电源再经隔离型DC—DC为该隔离器的线路侧电路供电。
按隔离元件区分，除了经典的分立式光电隔离器，还有近年出现的集成化单片隔离器。这类单片隔离器技术先进、封装小巧、性能优异，其中包括以ADI公司基于芯片级变压器的ADM2587E和ADM2582E为代表的磁隔离器、以TI公司lSO1176T为代表的电容隔离器和以NVE公司IL3585为代表的巨磁介质隔离器等。
1. 3 RS485隔离器的端子模式
出于数据流向自动识别和控制的需要，常见的RS485接口芯片都采用了相同的引脚模式，即：MCU侧为DI、RO、DE、RE，总线侧为A、B。受此影响，绝大多数RS485隔离器也不约而同地沿袭了这种做法，即：设备接口侧端子为T(发送)、R(接收)、C(方向控制)，总线侧端子为A、B。这类RS485隔离器实际上相当于(或者就是)带有隔离功能的RS232／RS485转换器。如果按照RS485隔离器来理解，我们不妨将这类带有隔离功能的转换器称为转换式RS485隔离器。显然，转换式RS485隔离器的两侧端子不同，电路也不对称，因此有固定的安装方向，两侧不可对调。1．2中所述隔离器均属于转换式RS485隔离器。
1．4 为底层用户着想
至少在十年前，转换式隔离器用于BS485总线节点隔离还是非常适宜的，因为那时的PC机及其它工业设备基本上还保留着RS232接口，所以实现起来既顺理成章，又轻而易举。然而时至今日，各种新产品中早已难见RS232踪影，取而代之的是A、B二线制(或称A、B、GND三线制)的标准BS485接口。在这种情况下，一种新的、直接串接在A、B二线制总线上的总线式RS485隔离器，将会更受广大RS485底层用户群体的欢迎。

2 新需求带来新思路
总线式RS485隔离器的基本设计要求是：
1)两侧端子相同、内部电路对称；
2)可直接串入A、B总线中而无需任何转换；
3)能胜任点对多点通信；
4)尽可能避免使用外接电源；
5)结构简单、安装简便；
所幸的是，武汉波士公司推出了一款并宣称是世界上唯一的无源BS-485光电隔离器——BS485A。据称，该隔离器两头完全一样，均为A、B、(GND)，不分方向，无需收、发控制信号。暂且不论其负载能力如何，也不论其能否胜任点对多点通信，至少它的出现将使得用户在已有RS485总线上加装隔离器变得如同在已有RS232总线上加装隔离器一样简单方便，而且无需外接电源。这应该是件了不起的事情，同时也符合笔者的创作取向。
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3 用脉冲变压器制作总线式础RS485隔离器
为简化总线式RS485隔离器的设计，现提出基于脉冲变压器的总线式BS485隔离器的技术方案。
在集成电路技术飞速发展的今天，变压器在很多应用领域早已被摒弃甚至遗忘。但就解决RS485的总线隔离而言，这种看似古老而笨重的器件，的确具有很多独到之处，值得我们重新关注。
3．1 对脉冲变压器情有独钟的15个理由
1)体现简捷至上、返璞归真的创作理念；
2)底层用户群体极易理解和掌控；
3)成熟并继续进步的技术、材料、工艺支持；
4)令人信服的可靠性；
5)近乎永久的寿命；
6)用于因特网网卡的成功先例；
7)特别适合RS485单极性脉冲的驱动和传输；
8)符合国内BS485通信网应用、运行现状；
9)无源的器件、无源的隔离——彻头彻尾；
lO)轻松隔离所有节点，使外部总线完全浮置；
11)相对较低的信号损失和电能损失；
12)无需考虑数据流向；
13)(在有限范围内)波特率自适应；
14)简便的安装；
15)低廉的成本。
3．2 基本实验电路
图1是用脉冲变压器隔离A、B二线制RS485节点的基本实验电路。

图1中虚线框内即为总线式RS485隔离器。其中脉冲变压器用于节点隔离；瞬变电压抑制二极管反向箝位于5．0 V，用于保护节点内部的BS485芯片；正向箝位于0．7 V，用于维持1电平时及总线空闲时各节点RS485芯片A、B间所需的弱正偏电压，并吸收脉冲变压器振铃。
3．3 脉冲变压器及其主要参数
脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器。为获得尽可能小的波形传输失真，对于给定的激励脉冲宽度tw，应使输出波形的边沿过渡时间tr和顶降λ都尽量小。在较高的要求下，一般须保证：
输出波形的边沿过渡时间 tr≤0．2xtwmin (1)
输出波形的顶降 λ≤10％ (2)
式(1)中，twmin为激励脉冲的最小宽度。
3. 4 激励脉冲宽度tw、输出波形过渡时间tr与波特率B的关系
图2是TTL电平的串行数据帧格式，每帧数据流中包含1位起始位、8位数据位、1位校验位、1位停止位。数据低位在先。

图2中，(a)、(b)、(c)依次为传送55H、00H、FFH时的波形。就BS485信号而言，0电平期间对应于脉冲变压器的被激励时段，而(b)、(c)波形代表了两种极端被激励情况。[p]
如果设数据通信的波特率为B，则图2中的每一个bit位的持续时间为1／B。不难理解，对于给定的波特率B，作用于脉冲变压器的激励脉冲的最大宽度和最小宽度分别为
twmax=(1+8+1)×(1／B)=10x(1／B) (3)
twmin=1／B (4)
设RS485通信的波特率上下限分别为Bmax、Bmin，则根据式(1)、(2)、(3)、(4)，要求脉冲变压器：
激励脉冲宽度tw=twmax=10x(1／Bmin) (5)
波形过渡时间 tr≤0．2xtwmin=0．2x(1／Bmax) (6)
且须保证顶降 λ≤10％ (7)
3．5 关于初、次级间的耦合电容
光耦芯片的输入、输出间的耦合电容很小。相比之下，脉冲变压器初、次级间较大的耦合电容，不利于高频或尖峰共模冲击干扰的隔离抑制。为解决这一问题，可尽量选用超高导磁率的铁芯，并改进变压器绕制工艺，降低绕组分布电容；还可以在变压器的初、次级绕组间增设屏蔽层，并将屏蔽层接地。

4 实验情况及脉冲变压器设计依据
理论上，我们当然希望用作RS485隔离器的脉冲变压器能够覆盖RS485通信中可能遇到的所有波特率——从75 bit／s直到10Mbit／s，但事实上任何一只脉冲变压器都不可能做到这一点，也没有必要这样要求。由此形成的思路是，可用系列化的脉冲变压器实现各种常用波特率的分段覆盖，以供用户选择。另一方面，只有较远距离的数据通信才有必要加装隔离器，而较远距离数据通信的波特率既不会太高，也不会太低。这也会使问题更加简化。
对于RS48通信网，若用Bmax和Bmin分别表示某一区间的波特率上下限，则通常情况下：
Bmin=1 200 bit／s≤B≤115 200bit／s=Bmax (8)
而工业环境下最有可能的波特率范围是：
Bmin=2400bit／s≤B≤19 200bit／s=Bmax (9)
其上下限比值：
Bmax／Bmin=19 200／2400=8 (10)
根据笔者的实验结果，由同一只脉冲变压器兼顾Bmax／Bmin=8并不难做到。以此为例，参照式(5)、(6)、(7)及RS485接口芯片常规电气指标，可得符合式(10)的脉冲变压器的主要设计依据为：
脉冲宽度tw=10x(1／Bmin)=10x(1／2 400)=0.52x10-3s
过渡时间tr≤0．2×(1／Bmax)=0．3x(1／19 200)=10．4x10-6s
顶降 λ≤10％
匝数比 N=1：1
脉冲电压 Vp=5 V
脉冲源内阻Ri≈20Ω
负载电阻 Rl≈40Ω
隔离电压 V=2 500V

5 结束语
1)利用脉冲变压器，可较好地解决总线式RS485隔离器设计复杂的技术难题，并具有简单实用、无需电源、无需考虑数据流向、在有限范围内波特率自适应、底层用户群体易于理解和掌控等特点。
2)基于脉冲变压器的总线式RS485隔离嚣，尤其适合于空间电磁场比较复杂的工业环境下半双工的A、B二线制RS485通信网的升级改造。
3)隔离所有节点后，一般应为处于浮置状态的通信线路提供静电泄放通道。这时可采用带屏蔽层的双绞线作为通信线路，并将其屏蔽层接至地网。
4)文中所述方案的基本思想也适用于全双工的W、X、Y、Z四线制RS485／BS422通信网的节点隔离。