CN104579474B - 一种无源分光rs-485光纤总线嵌入式终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源分光RS‑485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，其两端分别连接无源分光RS‑485光纤总线的无源RS‑485光网络局端和用户终端设备，其包括电源模块，光电转换单元，RS‑485驱动芯片，高速光耦隔离电路，无极性自动收发换向电路和三级防雷电路，其中，光电转换单元连接高速光耦隔离电路一端，高速光耦隔离电路另一端连接无极性自动收发换向电路和RS‑485驱动芯片，RS‑485驱动芯片连接三级防雷电路；所述光电转换单元包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路。

Description

一种无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端

技术领域

本发明涉及工业制造领域，具体涉及一种无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端。

背景技术

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS-232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS-485解决了这个问题。

RS-485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上一般最多可以挂接32个结点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。连接RS-485通信链路时用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。

传统的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。组网介质主要有双绞线电缆和光纤，双绞线电缆和光纤在构建网络时，具有如下问题：

(1)共模干扰：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

(2)EMI：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

(3)采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

(4)采用一条双绞线电缆作总线的最大通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。随着传输距离的增加，通信速率会急速下降，并不能保证高速远距离的通信要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种远距离、高速、大容量、采用RS-485结合光纤通信，通信可靠性高的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其两端分别连接无源分光RS-485光纤总线的无源RS-485光网络局端和终端设备，其包括电源模块，光电转换单元，RS-485驱动芯片，高速光耦隔离电路，无极性自动收发换向电路和三级防雷电路，其中，光电转换单元连接高速光耦隔离电路一端，高速光耦隔离电路另一端连接无极性自动收发换向电路和RS-485驱动芯片，RS-485驱动芯片连接三级防雷电路；所述光电转换单元包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路。

其通过光信号与总线逻辑信号之间的转换，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端。

RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成光信号，并通过光纤传输至嵌入式终端，嵌入式终端光信号与总线逻辑信号之间的转换，将光信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，，经RS-485驱动芯片转换为RS-485电平信号，对用户终端设备进行控制；其中对应有光输出信号为RS-485总线逻辑“0”信号，对应无光输出信号为RS-485总线逻辑“1”信号。

用户终端设备反馈的数据，通过嵌入式终端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。

用户终端设备没有接收到局端设备下发的上传数据指令时，嵌入式终端只会处于侦听状态，不会向总线发送任何数据，所有嵌入式终端的数据发送请求都由RS-485总线中央控制平台仲裁处理。

嵌入式终端在不发送数据时，即RS-485总线空闲，为逻辑“1”(高电平)时，光接口单元的发射机并不会发出有强度的激光；嵌入式终端在发送逻辑“0”(低电平)时，光接口单元的发射机会发出有一定强度的激光，用以代表逻辑“0”，嵌入式终端在发送逻辑“1”(高电平)时，光接口单元的发射机并不会发出有强度的激光。

通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换单元光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。

嵌入式终端的信号输入接口，具有RS-485电平输入和TTL电平输入两种方式。

在无源分光RS-485光纤总线系统中的所有设备在任何时刻，不管是局端设备还是终端设备只能有允许一个设备发送信号，其它设备处于侦听状态。所有用户终端设备的数据发送请求都由RS-485总线控制端裁处理，所有终端设备只有在接收到RS-485总线控制端发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。

RS-485总线在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”(高电平)状态，当发送逻辑“1”(高电平)信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”(高电平)状态；而当发送逻辑“0”(低电平)时，RS-485总线由高电平逻辑“1”电平跳变为逻辑“0”(低电平)，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”(高电平)并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。

用有光(即光电转换器发射单元的激光器发射出具有一定强度的激光信号)表示RS-485总线逻辑“0”信号，采用无光(即光电转换器发射单元的激光器不发射激光出来，处于关闭状态)表示RS-485总线逻辑“1”信号；任何一个总线设备在不发送信号时，自身的光电转换单元光发射电路均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。

嵌入式终端中光电转换单元的功能是实现电信号转换成光信号与将光信号转换成电信号的关键元件，其由光发射电路和光接收电路组成。光发射电路分别由激光驱动电路和激光器组成；光接收电路分别由光电探测器、放大电路和高速比较器组成。

当光接收电路有光信号输入时，光电探测器产生光电流，一路送到高速比较器的同相端，另一路做为参考基准源送到高速比较器的反相端，高速比较器的参考基准电压是随着光电流的强弱(输入光信号的强弱)变化的，所以相比固定基准电压的方案，可以获得更高的接收灵敏度，并且可以减小信号的脉宽失真，具有宽动态范围和低失真的优点。另外光接收电路还具有信号丢失告警功能，可以将高速比较器输出的信号取一部分经积分处理后送到另一个比较器的反相端，与设定的同相端参考基准电压比较，当有光信号输入时，比较器会输出一个高电平信号，表示光接收单元有光信号输入，当比较器输出低电平信号时，表示光接收单元没有光信号输入或是光信号很弱以至于无法正确接收识别。

嵌入式终端在RS-485中控接口总线逻辑为“0”电平时，经过总线相位转换电路处理后，输出逻辑“1”(高电平)信号，此时光电转换单元的光发射电路的激光器驱动器驱动激光器发出具有一定强度的激光信号，该信号用以代表RS-485总线逻辑“0”；嵌入式终端在RS-485中控接口总线逻辑为“1”电平时，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“0”(低电平)信号，光电转换单元的光发射电路的激光器驱动器驱动截止，迫使激光器不发出激光信号，该信号状态代表RS-485总线逻辑“1”；嵌入式终端的光电转换单元的在光接收电路有光输入时，输出逻辑“1”(高电平)，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“0”(低电平)信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“0”，嵌入式终端的光电转换单元的光接收电路无光输入时，输出低电平“0”，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“1”(高电平)信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“1”。

本发明的有益效果是：本发明的嵌入式终端，为点对多点的通信组网，采用平面波导型光分路器(PLC，其可集成在局端设备之中，也可以独立于局端设备之外)分光方式直接无源传输RS-485信号，无需经过协议转换，不需要改变原有的网络架构，相比采用TCP/IP网络传输方式，整个系统十分简单。采用点对多点的主--从结构，一个无源RS-485光网络局端最大可挂载128个节点，通过n个无源RS-485光网络局端的RS-485扩展接口级联可以挂载128*n个网络节点，极大的提高了系统的通信容量。以往的点对点光纤连接方式需要两个设备对接，而现采用点对多点的主--从光纤方式，多个用户终端设备共享一个局端设备，而且整个局端设备成本相比以往要节省很多。

有效解决了现有技术中，共模干扰，EMI，通信距离问题，可以传输10公里至40公里(根据平面波导型光分路器分光比而定)；通信速率与传输距离相互影响的问题；信号由于阻抗不连续造成的反射；提升系统抗雷击防护能力，采用光纤隔离所有通信节点，同时所有RS-485光网络终端均采用三级超强防雷技术，彻底解决雷击对整个系统的破坏危害。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明总线系统框图；

图3为光发射电路图；

图4为RS-485高速光耦隔离驱动电路图；

图5为光接收电路图；

图6为电源模块电路图；

图7为指示灯电路图；

图8为外围电路图。

具体实施方式

实施例：参见图1至图8，本实施例提供一种无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其两端分别连接无源分光RS-485光纤总线的无源RS-485光网络局端和终端设备，其包括电源模块，光电转换单元，RS-485驱动芯片，高速光耦隔离电路，无极性自动收发换向电路和三级防雷电路，其中，光电转换单元连接高速光耦隔离电路一端，高速光耦隔离电路另一端连接无极性自动收发换向电路和RS-485驱动芯片，RS-485驱动芯片连接三级防雷电路；所述光电转换单元包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路。

其通过光信号与总线逻辑信号之间的转换，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端。

RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成光信号，并通过光纤传输至嵌入式终端，嵌入式终端光信号与总线逻辑信号之间的转换，将光信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，对终端设备进行控制；其中对应有光输出信号为RS-485总线逻辑“0”信号，对应无光输出信号为RS-485总线逻辑“1”信号。

用户终端设备反馈的数据，通过嵌入式终端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。

用户终端设备没有接收到局端设备下发的上传数据指令时，嵌入式终端只会处于侦听状态，不会向总线发送任何数据，所有嵌入式终端的数据发送请求都由RS-485总线中央控制平台仲裁处理。

嵌入式终端在不发送数据时，即RS-485总线空闲，为逻辑“1”(高电平)时，光接口单元的发射机并不会发出有强度的激光；嵌入式终端在发送逻辑“0”(低电平)时，光接口单元的发射机会发出有一定强度的激光，用以代表逻辑“0”，嵌入式终端在发送逻辑“1”(高电平)时，光接口单元的发射机并不会发出有强度的激光。

通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换单元光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。

嵌入式终端的信号输入接口，具有RS-485电平输入和TTL电平输入两种方式。

在无源分光RS-485光纤总线系统中的所有设备在任何时刻，不管是局端设备还是终端设备只能有允许一个设备发送信号，其它设备处于侦听状态。所有终端设备的数据发送请求都由RS-485总线中央控制平台仲裁处理，所有终端设备只有在接收到RS-485总线中央控制平台发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。

RS-485总线在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”(高电平)状态，当发送逻辑“1”(高电平)信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”(高电平)状态；而当发送逻辑“0”(低电平)时，RS-485总线由高电平逻辑“1”电平跳变为逻辑“0”(低电平)，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”(高电平)并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。

用有光(即光电转换器发射单元的激光器发射出具有一定强度的激光信号)表示RS-485总线逻辑“0”信号，采用无光(即光电转换器发射单元的激光器不发射激光出来，处于关闭状态)表示RS-485总线逻辑“1”信号；任何一个总线设备在不发送信号时，自身的光电转换单元光发射电路均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。

嵌入式终端中光电转换单元的功能是实现电信号转换成光信号与将光信号转换成电信号的关键元件，其由光发射电路和光接收电路组成。光发射电路分别由激光驱动电路和激光器组成；光接收电路分别由光电探测器、放大电路和高速比较器组成。

当光接收电路有光信号输入时，光电探测器产生光电流，一路送到高速比较器的同相端，另一路做为参考基准源送到高速比较器的反相端，高速比较器的参考基准电压是随着光电流的强弱(输入光信号的强弱)变化的，所以相比固定基准电压的方案，可以获得更高的接收灵敏度，并且可以减小信号的脉宽失真，具有宽动态范围和低失真的优点。另外光接收电路还具有信号丢失告警功能，可以将高速比较器输出的信号取一部分经积分处理后送到另一个比较器的反相端，与设定的同相端参考基准电压比较，当有光信号输入时，比较器会输出一个高电平信号，表示光接收单元有光信号输入，当比较器输出低电平信号时，表示光接收单元没有光信号输入或是光信号很弱以至于无法正确接收识别。

嵌入式终端在RS-485中控接口总线逻辑为“0”电平时，经过总线相位转换电路处理后，输出逻辑“1”(高电平)信号，此时光电转换单元的光发射电路的激光器驱动器驱动激光器发出具有一定强度的激光信号，该信号用以代表RS-485总线逻辑“0”；嵌入式终端在RS-485中控接口总线逻辑为“1”电平时，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“0”(低电平)信号，光电转换单元的光发射电路的激光器驱动器驱动截止，迫使激光器不发出激光信号，该信号状态代表RS-485总线逻辑“1”；嵌入式终端的光电转换单元的在光接收电路有光输入时，输出逻辑“1”(高电平)，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“0”(低电平)信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“0”，嵌入式终端的光电转换单元的光接收电路无光输入时，输出低电平“0”，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“1”(高电平)信号，使RS-485中控接口总线输出逻辑“1”。

高速光耦隔离电路与DC-DC隔离电源模块的主要作用是隔离RS-485总线与光电转换单元之间、供电系统的电气连接，可以保护光电转换单元和供电系统。无极性自动收发换向电路的功能是实现RS-485总线收发数据的自动切换，是一种延时使能控制，电路参数经过精确设计，可以有效避免误触发，避免总线产生错误。三级防雷网络其由高品质TVS瞬态抑制二极管、陶瓷气体放电管、自恢复保险丝组成三级高性能抗雷击电路，可通过IEC6100-4-54级标准：1.2/50us 4KV 8/20us 2KA。

无源分光RS-485光纤总线系统嵌入式终端的RS-485驱动电路具有自动换向功能，可以根据数据总线的状态自动的切换收发功能，其由一个精密设计的延时使能控制电路来控制RS-485总线驱动器的工作状态。嵌入式终端的RS-485总线在不发送数据的时候总是会处于侦听状态，并且RS-485驱动芯片会保持输出一个高电平，一直到逻辑“0”(低电平)的到来，才会改变状态，嵌入式终端的光电转换单元的在光接收电路有光输入时，输出逻辑“1”(高电平)，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“0”(低电平)信号，这个信号同时送到自动换向电路，换向电路会输出一个高电平“1”到RS-485总线驱动器的发送使能端和接收使能端(发送使能高电平有效，接收使能低电平有效)，让驱动器有效，向RS-485总线传送“0”电平逻辑信号；嵌入式终端的光电转换单元的在光接收电路无光输入时，输出低电平“0”，经过相位转换电路处理后，输出逻辑“1”(高电平)信号，这个信号同时送到自动换向电路，换向电路会输出一个逻辑“0”(低电平)到RS-485总线驱动器的发送使能端和接收使能端(发送使能高电平有效，接收使能低电平有效)，让驱动器无有效，接收使能端为低电平，RS-485总线处于接收状态，RS-485总线的状态由总线的上下拉电阻决定状态(是一个高电平逻辑“1”状态)，等同于向RS-485总线传送逻辑“1”(高电平)信号。

但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书内容所作的等效步骤及结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，其两端分别连接无源分光RS-485光纤总线的无源RS-485光网络局端和终端设备，其包括相位转换单元，光电转换单元，所述光电转换单元包括发射单元和接收单元；通过光信号与总线逻辑信号之间的转换，将RS-485总线控制端的控制信号传输至用户终端设备，对用户终端设备进行控制；以及，将用户终端设备反馈的数据传输至RS-485总线控制端，实现点对多点的双向通信。

2.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成光信号，并通过光纤传输至嵌入式终端，嵌入式终端用来实现输入光信号逻辑与嵌入式终端RS-485总线逻辑信号之间的转换，将相应光信号转换成对应TTL逻辑信号“0”和“1”后，经RS-485驱动芯片转换为RS-485电平信号，对用户终端设备进行控制；其中对应有光输出信号为RS-485总线逻辑“0”信号，对应无光输出信号为RS-485总线逻辑“1”信号。

3.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，用户终端设备反馈的数据，通过嵌入式终端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中对应RS-485总线逻辑“0”信号为有光输出信号，对应RS-485总线逻辑“1”信号为无光输出信号，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS-232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。

4.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，用户终端设备没有接收到局端设备下发的上传数据指令时，嵌入式终端只会处于侦听状态，不会向总线发送任何数据，所有嵌入式终端的数据发送请求都由RS-485总线控制端仲裁处理。

5.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，嵌入式终端在不发送数据时，即RS-485总线空闲，为逻辑“1”高电平时，光电转换单元的发射单元并不会发出有强度的激光；嵌入式终端在发送逻辑“0”低电平时，光电转换单元的发射单元会发出有一定强度的激光，用以代表逻辑“0”，嵌入式终端在发送逻辑“1”高电平时，光电转换单元的发射单元并不会发出有强度的激光。

6.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身光电转换单元的发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。

7.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线嵌入式终端，其特征在于，嵌入式终端具有一个带信号丢失检测功能的宽动态范围、低脉宽失真的光接收电路。