RS485/422磁隔离技术与应用设计

李白萍， 张毅龙

(西安科技大学 通信与信息系统学院， 陕西 西安 710054)

0 引 言

随着现代工业自动化程度的迅速发展，一些简单易用的串行通信方式作为数据交换的手段被广泛采用。由EIA(Electronic Industries Association，美国电子工业协会)制定并发布的RS485接口标准已成为工业应用中数据传输的首选标准。主要是因为RS485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，具有传输线成本低、抗共模干扰能力强、传输速率快、布线方便等特点。

RS485/422接口电路可以分为隔离型与非隔离型。由于在实际应用系统中分散控制单元数量较多，加上现场存在各种干扰，软硬件设计的不完善，故非隔离型RS485/422接口电路无法保证总线通信的可靠性。且在多机通信方式下，一个节点的故障往往会导致整个系统的通信框架崩溃，给故障排查带来困难。解决此类问题的方案就是设计隔离型RS485/422接口电路。

1 隔离技术

隔离是电磁兼容性中的重要技术之一，目前主要采用的隔离技术包括光电隔离、磁隔离、电气(电容)隔离等技术。本文主要分析光电隔离和iCoupler磁隔离。

1.1 光电隔离

光电隔离器是以光为媒介来传播电信号，它是把发光器件(如发光二极管)、光敏感器件(如光敏半导体管)和信号放大器集成在一起来实现的。当输入电信号时可驱动发光器件发光，光探测器接收到光线之后产生光电流，再经信号放大后输出，从而实现了光电的传输和转换。因其是以光为媒介来进行信号的传输，在电气上没有直接相连，所以达到了在电气上的隔离作用[1]。

光电耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上，同时光电耦合器的隔离阻抗会随着频率的提高而降低，抗干扰效果也就随之降低。

1.2 iCoupler磁隔离

iCoupler磁隔离技术是由美国ADI(Analog Devices Inc)公司设计开发的一项适合高压环境的隔离电路专利技术，而非传统的基于发光器件与光敏感器件的结合。其核心原理是采用芯片级尺寸脉冲变压器耦合技术，当一个信号输入之后，会首先经过施密特触发器整形，再经过编码电路，之后才是脉冲变压器耦合，最后经过解码电路与施密特触发器输出。此外，在电路的输入端还有一个刷新电路可以保证即使在没有跳变信号输入的情况下，输出状态也能与输入的状态保持一致[2]。

iCoupler数字隔离器利用了平面磁场专利技术，并集成变压器驱动和接收电路，不再需要外部驱动器或分立元件，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光电耦合。而且能满足电源以及其它高隔离度环境下的隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、总线隔离以及其它多通道隔离等[2]。

2 传统RS485/422接口隔离电路

传统RS485/422接口隔离电路所采用的主要是光电隔离技术，其接口电路是由2或3个快速光电隔离器、RS485/422收发器件以及电源隔离模块等组成，如图1所示。

图1 传统半双工RS485/422接口隔离电路

图中以光电隔离器TLP521-1Y为例来说明传统RS485/422接口隔离电路，它是一种高速晶体管输出光电隔离器，具有较强的传输效率和抗干扰能力。VCC与VCC485是两组不共地的电源，通常采用隔离型DC-DC来实现；通过光电隔离器来实现信号的隔离传输，且ADM487与MCU系统不共地。此电路可有效抑制高共模电压的产生，降低ADM487的损坏率，提高系统的稳定性。

传统RS485/422接口隔离电路的优点是价格便宜，隔离效果较好。但其缺点是所用的器件较多，占用PCB面积大，电路繁琐。再加上光电耦合器在传输速率、功耗以及LED老化上受到限制，故对整个系统的稳定性会产生一定的影响。

3 ADM2587E芯片

ADM2587E是ADI推出的集成了iCoupler数字隔离的隔离型RS485/422收发器，具备±15 kV ESD保护功能，适合于多点传输线路上的高速通信应用。它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采用isoPower技术的DC-DC隔离电源转换器，其内部结构如图2所示[2]。

采用iCoupler专利技术设计的数字隔离器，不仅直接在芯片上制造iCoupler变压器，而且还在芯片的输入/输出集成了施密特触发器、译/解码电路、校正与看门狗电路，如图3所示。当数据输入到iCoupler器件后，首先会经过一个施密特触发器对信号进行滤波整形，然后经译码电路将信号变成脉冲信号，经过脉冲变压器耦合之后，再进入解码电路还原波形，最后再经过一个施密特触发器滤波整形，输出理想方波。而校正与看门狗电路保证器件可以工作在低速率和直流信号的状态下[2]。

ADM2587E的其它特色功能：1)隔离式RS485/RS422收发器，可配置为全双工或半双工；2)集成isoPower的隔离型DC-DC转换器，无需外加DC-DC电源；3)通讯速率500 kb/s，可完全支持115 200波特率；4)具有开路、短路及故障保护功能；5)具有热关断保护功能[3]。

图2 ADM2587E功能框图

4 磁隔离型RS485/422接口电路设计

图3 ADuM磁隔离原理

本方案采用ADM2587E单芯片来实现RS485/422接口的完全隔离。ADM2587E带有RE/DE使能控制引脚，故支持半双工和全双工RS485/422接口隔离。其电路分别如图4和图5所示。

图4 半双工RS485/422接口隔离电路 图5 全双工RS485/422接口隔离电路

从图4与图5中可以看出，通过控制使能引脚RE/DE及A、B、Z、Y就可实现半双工或全双工通信。图中GND1是隔离侧地，这4个地在芯片内部是连接的，但在实际使用中最好在外部做物理连接，这样隔离效果更好；GND2是总线端地，同样推荐外部连接。VCC是隔离侧电源，由于在ADM2587E内部集成了采用isoPower技术的DC-DC隔离电源转换器，故只需单电源即可在芯片内部实现隔离侧与总线端的隔离供电。并且由于内部DC-DC属于高频器件，所以输入输出电源旁必须要加旁路电容进行滤波，通常情况下在每路输入输出电源旁加0.1 μF与10 μF的电容，如图中C1—C8所示。VISOOUT引脚是ADM2587E内部隔离电源的输出引脚，而VISOIN引脚是内部集成RS485/422收发器的电源输入引脚，在正常使用时外部必须连接起来给总线端供电[4]。

与传统的光耦隔离电路相比，本隔离电路最明显的优势就是只需一片ADM2587E芯片就可完全解决RS485/422接口隔离问题，而且电路设计简单，使得PCB节省60%～70%左右。其次，ADM2587E芯片所采用的磁隔离技术是基于芯片级变压器传输原理，信号传输时几乎不存在能量损耗，能以极低的功耗实现150 Mbps的高速数据隔离，而光电隔离鲜有如此高的传输速率。相同速率下，其功耗仅为光电隔离的1/10～1/6。最后iCoupler磁隔离消除了与光耦合器相关的不确定电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题，且其内部含有施密特电路，能够对输入输出的电路滤波整形，可直接与各种高速控制芯片连接[3]。

5 结束语

在工业控制及远距离设备间通信时，网络通信的可靠性常会受到干扰及传输距离的影响，本文所提出的基于ADM2587E芯片的RS485/422隔离型接口电路设计不仅更有效地抑制了干扰，而且较传统的光耦隔离有着明显的优势，非常适合于工业、电力等恶劣通信环境中的RS485/422接口隔离应用。磁隔离取代光电隔离已然成为一种趋势，将会被越来越多的产品所使用。

[参考文献]

[1] 赵艳春.谈电子电气设备的电路隔离技术[J].科技创新导报,2008(23):224-225.

[2] Analog Devices Inc.ADM2582E/ADM2587E Datasheet[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/zh/interface/Ivds/adm2587e/product.html,2009.

[3] Analog Devices Inc.Signal and Power Isolated RS-485 Transceiver with ±15 kV ESD Protection[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADM2582E_2587E.pdf,2011.

[4] HEIN Marais.RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide[S/OL].[2013-07-20]http://www.analog.com/static/importedfiles/application_notes/AN-960.pdf,2011.