CN101800535A - Rs-485隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RS-485隔离器，包括通过隔离器件耦合隔离的本地CPU端和外设端，其中，所述本地CPU端包括第一RS-485收发器和第一数据流向控制模块；所述外设端包括第二RS-485收发器和第二数据流向控制模块；所述隔离器件包括第一隔离器件和第二隔离器件；每个RS-485收发器包括接收数据端、发送数据端、接收允许端和发送使能端；所述第一RS-485收发器、第二RS-485收发器分别和所述第一隔离器件相连；所述第一数据流向控制模块、第二数据流向控制模块分别所述第二隔离器件相连。本发明提供的RS-485隔离器属于两线隔离的RS-485收发器，能够自动发送数据并具有通讯中继功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种串口隔离器，尤其涉及一种RS-485隔离器。
背景技术
现有RS-485隔离器其实本不是真正的RS-485总线隔离，而是RS-485总线经过RS-485收发器转换为RS-232信号后再做隔离。
图1是现有的RS-485隔离器示意图，请参见图1，TXD从MCU处理器11发出，经过隔离器件12隔离，到达RS-485收发器13发送到RS-485总线。接收时，RS-485收发器13收到的数据经过隔离器件12后抵达MCU处理器11的RXD引脚。因此，现有的RS-485隔离器其实是对RS-485收发器转换后的RS-232信号进行隔离，而非真正的对RS-485信号隔离。
现有RS-485隔离器并不是实质上的RS-485总线隔离，而是采用隔离RS-232总线的间接方式达到与外围环境隔离的目的。另外，因为RS-485收发器的发送、接收允许端也必须隔离，因此现有RS-485隔离器是4线隔离器，即使设置接收允许端一直接地有效，至少也必须是如图1所示的3线隔离。
现有RS-485隔离器还有一些其他缺点，如发送使能端必须手工控制，或者说通过驱动MCU的IO引脚来设定T_Enable的高、低电平来实现，T_Enable经隔离后连接到RS-485的DE引脚，T_Enable的高、低电平确定RS-485收发器的发送使能、禁止状态。另外，现有RS-485隔离器只能并联在RS-485总线上使用的，如图2现有RS-485隔离设备20所示。并且没有通信中继功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种RS-485隔离器，属于两线隔离的RS-485收发器，能够自动识别数据流向而依据流向转发数据，并具有通信中继功能。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种RS-485隔离器，包括通过隔离器件耦合隔离的本地CPU端和外设端，其中，所述本地CPU端包括第一RS-485收发器和第一数据流向控制模块；所述外设端包括第二RS-485收发器和第二数据流向控制模块；所述隔离器件包括第一隔离器件和第二隔离器件；所述第一RS-485收发器包括数据发送输入端DI-1、数据接收输出端RO-1、接收允许端/RE-1和发送使能端DE-1；所述第二RS-485收发器包括数据发送输入端DI-2、数据接收输出端RO-2、接收允许端/RE-2和发送使能端DE-2；所述第一RS-485收发器、第二RS-485收发器分别通过其数据发送输入端、数据接收输出端和所述第一隔离器件相连，所述第一、第二RS-485收发器的接收允许端接地；所述第一数据流向控制模块的输入端和所述第一RS-485收发器的数据接收输出端RO-1、发送使能端DE-1相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-2信号控制第二RS-485收发器的发送使能端DE-2；所述第二数据流向控制模块的输入端和所述第二RS-485收发器的数据接收输出端RO-2、发送使能端DE-2相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-1信号控制第一RS-485收发器的发送使能端DE-1。
上述的RS-485隔离器，其中，所述隔离器包括RS-485总线状态检测模块，其检测端和第一RS-485收发器的数据接收输出端RO-1相连，检测RS-485总线的状态，另一端通过CPU总线和CPU相连，供CPU读取RS-485总线状态，或接收来自CPU的控制命令。
上述的RS-485隔离器，其中，所述RS-485总线状态检测模块还包括另一检测端，所述另一检测端和第一RS-485收发器的发送使能端DE-1相连，辅助检测RS-485总线的状态。
上述的RS-485隔离器，其中，所述外设端包括正向数据端D+和负向数据端D-，所述正向数据端和负向数据端间连接有浪涌保护回路。
上述的RS-485隔离器，其中，所述浪涌保护回路包括两个串联在正向数据端和负向数据端的的电阻R1、R2，跨接在电阻R1、R2内侧的瞬变抑制二极管D1、D2以及跨接在电阻R1、R2外侧的气体放电管GAS1、GAS2。
上述的RS-485隔离器，其中，所述第一隔离器件和第二隔离器件为光电耦合隔离器件。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的RS-485隔离器，本地CPU端和外设端实现真正的两线隔离，能够自动识别数据流向而依据流向转发数据，并具有通信中继功能。此外，本发明的RS-485隔离器通过RS-485总线状态检测模块提高总线利用率，并且大幅降低总线冲突机率。
附图说明
图1是现有的RS-485隔离器示意图；
图2是现有的RS-485隔离器连接方式示意图；
图3是本发明的RS-485隔离器示意图；
图4是本发明的RS-485隔离器连接方式示意图；
图5是本发明带总线监听和浪涌保护的RS-485隔离器示意图；
图6是本发明RS-485隔离器2线隔离原理图；
图7是本发明RS-485隔离器中浪涌保护回路图；
图8是本发明RS-485隔离器数据发送流程图。
图中：
11MCU处理器 12隔离器件
13RS-485收发器 20RS-485隔离器
31本地CPU端 32外设端
33第一RS-485收发器 34第一数据流向控制模块
35第一隔离器件 36第二RS-485收发器
37第二数据流向控制模块 38第二隔离器件
51总线状态检测模块 52浪涌保护回路
331第一RS-485接收器 332第一RS-485发送器
361第二RS-485接收器 362第二RS-485发送器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图3是本发明的RS-485隔离器示意图。
请参见图3，本发明提供的RS-485隔离器，包括通过隔离器件耦合隔离的本地CPU端31和外设端32，其中，所述本地CPU端31包括第一RS-485收发器33和第一数据流向控制模块34；所述外设端32包括第二RS-485收发器36和第二数据流向控制模块37；所述隔离器件包括第一隔离器件35和第二隔离器件38；
所述第一RS-485收发器33包括数据发送输入端DI-1、数据接收输出端RO-1、接收允许端/RE-1和发送使能端DE-1，所述数据发送输入端DI-1、数据接收输出端RO-1和所述第一隔离器件35相连，所述接收允许端/RE-1接地；
所述第二RS-485收发器36包括数据发送输入端DI-2、数据接收输出端RO-2、接收允许端/RE-2和发送使能端DE-2，所述数据发送输入端DI-2、数据接收输出端RO-2和所述第一隔离器件35相连，所述接收允许端/RE-2接地；
所述第一数据流向控制模块34的输入端和所述第一RS-485收发器33的数据接收输出端RO-1、发送使能端DE-1相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-2信号控制第二RS-485收发器36的发送使能端DE-2；所述第二数据流向控制模块37的输入端和所述第二RS-485收发器36的数据接收输出端RO-2、发送使能端DE-2相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-1信号控制第一RS-485收发器33的发送使能端DE-1。
本发明提供的RS-485隔离器两端都是RS-485总线，其中一端靠近机房或者管理室，是为RS-485总线本地CPU端31；另外一端接远程外设，是为RS-485总线外设端32，本发明的RS-485隔离器完成RS-485到RS-485的实质隔离，因此属于两线隔离，由于RS-485隔离器20实现了RS-485到RS-485的真正隔离，隔离器的两端都是RS-485信号，因此使用时，既可以并联在RS-485总线上使用，可以串联在RS-485总线上使用，而串联使用时，还起到了通讯中继的功能，相当于一个RS-485总线中继器，如图4所示。而现有RS-485隔离设备，一端为RS-485信号，另一端为RS-232信号，因此，在使用时，只能采用并联的方式，即设备的RS-485端并联在RS-485总线上，另一端只能连RS-232设备。
RS-485总线本地CPU端和RS-485总线外设端各有第一数据流向控制模块34和第二数据流向控制模块37，分别控制第二RS-485收发器36和第一RS-485收发器33的发送使能端DE，保证每时每刻第一RS-485收发器33和第二RS-485收发器36的两个发送使能端最多只有一个有效，从而确定数据方向要么在方向控制DIR-2信号控制下从本地CPU端去外设端，要么在方向控制DIR-1信号控制下从外设端去本地CPU端。
图5是本发明带总线监听和浪涌保护的RS-485隔离器示意图。
当发生通信冲突时，一般需要通信双方失败后重试，为了减少硬件冲突，提高通信效率，本发明的RS-485隔离器引入了RS-485总线状态检测模块。请参见图5，所述隔离器包括RS-485总线状态检测模块51，其检测端和第一RS-485收发器的数据接收输出端RO-1相连，检测数据收发状态，另一端通过CPU总线和CPU相连，CPU总线传送RS-485总线状态，接收来自CPU的控制命令，CPU总线包括常用的ISA总线，PCI总线。总线状态检测模块51检测RS-485总线是否空闲，当RS-485总线空闲的时候，CPU才可以向RS-485总线发送数据，从而减少了总线冲突，提高了通信效率。当然，总线IDLE检测模块可以增加另一个检测端和DE-1相连，虽然通过RO-1已经能双向检测检测RS-485总线使用状况，增加DE-1检测端可以辅助检测RS-485总线使用状况，进一步提高冲突检测能力。
由于外设通常在安装在厂房甚至露天场地的设备上，那里通常存在强电干扰，甚至雷电感应干扰。因此靠近外设端32可以增加浪涌保护回路52。RS-485信号经过浪涌保护回路52后，到达第二RS-485收发器36，第二RS-485收发器36把RS-485差分信号转换为1收1发的串行信号，串行信号经过第一隔离器件35，分别连接在第一RS-485收发器33的发送线DI-1和接收线RO-1上，由第一R-485收发器33转换为RS-485差分信号后抵达RS-485总线本地CPU端31。
所述外设端32包括正向数据端D+和负向数据端D-，所述正向数据端和负向数据端间连接有浪涌保护回路52。请参见图7，所述浪涌保护回路52包括两个串联在正向数据端和负向数据端的的电阻R1、R2，跨接在电阻R1、R2内侧的瞬变抑制二极管(TVS)D1、D2以及跨接在电阻R1、R2外侧的气体放电管GAS1、GAS2。上述的浪涌保护回路，分两级保护，如图7所示，两个气体放电管GAS1、GAS2组成第一级防护，大电流、高能量的浪涌信号经过第一级防护后，干扰的峰值和能量大为衰减，这些经过衰减的干扰信号再经过由瞬变抑制二极管D1、D2和电阻R1、R2组成的第二级防护，干扰的峰值和能量将进一步缩小，达到或低于RS-485收发器能够接受的水平，从而保护RS-485收发器及其他元器件不受浪涌损坏。另外，由于TVS反应快速的特点，即使具有快速上升沿、下降沿(ns级)的干扰出现在RS-485总线上，如ESD干扰，本保护回路也能有效防护。
图6是本发明RS-485隔离器中隔离原理图。
请参见图6，本发明中的第一隔离器件35和第二隔离器件38为光电耦合隔离器件。第一RS-485收发器33包括电阻R1、R2、第一RS-485接收器331、第一RS-485发送器332；第二RS-485收发器36包括电阻R3、R4、第二RS-485接收器361、第二RS-485发送器362；第一数据流向控制模块34和第二数据流向控制模块37包括数据流向控制芯片。
当处于默认状态时，第一RS-485接收器331的接收允许端接低电平，又因为电阻R1，R2的上下拉作用，使第一RS-485接收器331接收到逻辑1。同理因为第二RS-485接收器361的接收允许端接低电平，且因为电阻R3，R4的上下拉作用，第二RS-485接收器361也接收到逻辑1。
第一RS-485接收器，第二RS-485接收器收到的逻辑1经或非门输出，这两个信号经DE-2和DE-1端输出，分别连接上第二数据流向控制模块和第一数据流向控制模块的发送使能端，因为DE-2和DE-1端输出都为低电平，发送禁止。因此，在默认状态下，从本地端到外设端的发送禁止，从外设端到本地端的发送也被禁止。本地端和外设端都因为上下拉电阻的缘故，使两端都处于数据“1”状态。
下面详细介绍本地端向外设端发送数据分析过程：
1)发起始位
当起始位0到达本地端，RO-1变更为逻辑0，DE-2变更为逻辑1，第二RS-485发送器362发送功能被允许，数据0到达外设端。外设端返回的的逻辑0(RO-2)和DE-2的逻辑1经过或非门以后为逻辑0连接到第一RS-485发送器332的发送使能端，这样第一RS-485发送器332的发送功能被禁止。
2)发数据0
如果发送的数据位为0，其通讯原理与传输起始位相同。
3)发数据1
当发送数据由0变更为1，RO-1变更为逻辑1，DE-2变更为逻辑0，第二RS-485发送器362发送功能被禁止。外设端收到的数据取决于R3和R4的上下拉确定的逻辑，而其逻辑为1，这样等同于数据1从本地端传输到了外设端。这样从外设端返回的数据1经由第二数据流向控制模块37也变更为低电平，从而使第一RS-485发送器332的发送功能禁止。
4)发结束位
其通讯原理与传输数据1相同。
上述数据传输真值表如下：
| 本地端发送状态 | RO-1 | DE-2 | RO-2 | DE-1 | 外设端接收数据 |
| 初始状态 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 发起始位 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 发数据0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 发数据1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 发结束位 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
上面详细介绍了本地端向外设端发送数据分析过程，至于外设端向本地端发送数据分析，其通讯过程就是从本地端到外设端的逆过程。
图8是本发明RS-485隔离器数据发送流程图。
本发明的总线监听由总线状态检测模块51完成，总线状态检测模块51监听第一RS-485收发器33的接收输出端RO-1和发送使能端DE-1，当检测到RO-1端或者送使能端DE-1有低电平，即认为总线被占用。总线被占用后，总线忙(Busy)，即Idle无效，并且保持到RO-1下降沿6ms后，才置有效。如果，在等待6ms过程中，RO-1或者DE-1又有1个下降沿，6ms等待被重置，并以此类推。本电路的基本原理就是检测数据起始位及字节本身的“0”数据位，由此来确定总线是否被占用。为什么认为收到0就认为被占用呢，因为不管任何一端发起数据发送，都必须先发送握手信号，这个握手信号就是启动位0。
Idle信号并非当总线数据流停止以后立即有效，而是在最后一个字节传输开始，至少再等待一段时间。这样做的好处是至少要等待对方发送完最后一个字节后再应答，不至于造成冲突。虽然在RS-485通讯系统中，波特率可支持1200～115200bps，但是一般因为传输距离长而选择低波特率通讯，如9600bps，4800bps等。这个等待时间长短的设计应当考虑低波特率的要求，当然也不能等待太长，太长会影响总线利用率。
在上述电路中，延时设定为6ms，这个时间可以满足低至9600bps，4800bps甚至2400bps的低波特率通讯要求。
请参见图8，本发明RS-485隔离器数据发送流程如下：
步骤S801：判断是否有数据发送，当一端收到数据后准备应答或者需要主动发送数据时，进入步骤S802；
步骤S802：初始化数据指针，进入步骤S803；
步骤S803：先检测Idle信号，当Idle信号无效(为“0”)时，表明总线已被其他设备占用，必须等待，直到空闲即Idle信号有效(为“1”)时，才真正启动发送，进入步骤S804；
步骤S804：发送1帧数据，进入步骤S805；
步骤S805：当一帧数据发送完后，不需要进一步的数据发送，那么这个发送进程就此结束。如果要求接着立即发下一帧，这时因为Idle信号还没立即释放，按照要求还需等待6ms，因为设备自身要接着发送，因此这个6ms等待其实已经没有必要。总线状态检测模块51可以接收ISA总线的命令，其中一个最主要的命令为：忽略6ms延时的命令，如步骤S806所示，一旦总线状态检测模块51接收到这个命令，即立即忽略6ms延时并进入步骤S807；
步骤S807：发送指针指向下一帧，进入步骤S803，即将外部RS-485总线的真实使用情况立即赋值给“Idle”信号。这样，如果没有其他设备恰在此时使用RS-485总线，本设备接着就可以发送下一帧数据了。这样做的好处是，当发送巨量数据，需要拆分成多帧数据发送时，多帧数据可以连续发送，不受6ms延时的影响，大大提高提升总线利用率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (6)
1.一种RS-485隔离器，包括通过隔离器件耦合隔离的本地CPU端和外设端，其特征在于，所述本地CPU端包括第一RS-485收发器和第一数据流向控制模块；所述外设端包括第二RS-485收发器和第二数据流向控制模块；所述隔离器件包括第一隔离器件和第二隔离器件；
所述第一RS-485收发器包括数据发送输入端DI-1、数据接收输出端RO-1、接收允许端/RE-1和发送使能端DE-1；
所述第二RS-485收发器包括数据发送输入端DI-2、数据接收输出端RO-2、接收允许端/RE-2和发送使能端DE-2；
所述第一RS-485收发器、第二RS-485收发器分别通过其数据发送输入端、数据接收输出端和所述第一隔离器件相连，所述第一、第二RS-485收发器的接收允许端接地；
所述第一数据流向控制模块的输入端和所述第一RS-485收发器的数据接收输出端RO-1、发送使能端DE-1相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-2信号控制第二RS-485收发器的发送使能端DE-2；所述第二数据流向控制模块的输入端和所述第二RS-485收发器的数据接收输出端RO-2、发送使能端DE-2相连，其输出信号经过隔离形成方向控制DIR-1信号控制第一RS-485收发器的发送使能端DE-1。
2.根据权利要求1所述的RS-485隔离器，其特征在于，所述隔离器包括RS-485总线状态检测模块，其检测端和第一RS-485收发器的数据接收输出端RO-1相连，检测RS-485总线的状态，另一端通过CPU总线和CPU相连，供CPU读取RS-485总线状态，或接收来自CPU的控制命令。
3.根据权利要求2所述的RS-485隔离器，其特征在于，所述RS-485总线状态检测模块还包括另一检测端，所述另一检测端和第一RS-485收发器的发送使能端DE-1相连，辅助检测RS-485总线的状态。
4.根据权利要求1所述的RS-485隔离器，其特征在于，所述外设端包括正向数据端D+和负向数据端D-，所述正向数据端和负向数据端间连接有浪涌保护回路。
5.根据权利要求4所述的RS-485隔离器，其特征在于，所述浪涌保护回路包括两个串联在正向数据端和负向数据端的的电阻R1、R2，跨接在电阻R1、R2内侧的瞬变抑制二极管D1、D2以及跨接在电阻R1、R2外侧的气体放电管GAS1、GAS2。
6.根据权利要求1至5所述的任一RS-485隔离器，其特征在于，所述第一隔离器件和第二隔离器件为光电耦合隔离器件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100811 |