单片机之间光耦通讯原理_单片机光耦通讯隔离电路 - CSDN
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  • 线性光耦原理与电路设计

    千次阅读 2018-11-11 01:03:27
    线性光耦原理与电路设计

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    一、1. 线形光耦介绍

    光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。

    对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

    模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

    市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

    2. 芯片介绍与原理说明

    HCNR200/201的内部框图如下所示

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    K1与K2一般很小(HCNR200是0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

    HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。

    采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示:

    * 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;

    * 线性系数K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;

    * 温度系数: -65ppm/oC;

    * 隔离电压:1414V;

    * 信号带宽:直流到大于1MHz。

    从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

    3. 典型电路分析

    Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:

    图2

    设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。

    将前级运放的电路提出来看,如下图所示:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:

    Vo=Voo-GVi  (1)

    其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。

    忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。

    根据光耦的特性,即

        K1=IP1/IF  (4)

    将和的表达式代入上式,可得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

        上式经变形可得到:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    将的表达式代入(3)式可得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    考虑到G特别大,则可以做以下近似:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    这样,输出与输入电压的关系如下:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

    4. 辅助电路与参数确定

    上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。

    4.1 运放选型

    运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。

    4.2 阻值确定

    电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0.

    考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取

    另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,

    R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。

    另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。

    4.3 参数确定实例

    假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

    * 确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

    * 确定R3:R3=5V/25mA=200;

    * 确定R1:;

    * 确定R2:R2=R1=32K。

    二、线性光耦在电流采样中的应用
    1引言
    在现代电气测量和控制中,常常需要用低压器件去测量。控制高电压。强电流等模拟量,如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么,高电压。强电流很容易串入低压器件,并将其烧毁。线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,隔离电压峰值达8000V;输出跟随输入变化,线性度达0.01%。
    2 HCNR200/201简介
    HCNR200型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1.反馈光电二极管D2.输出光电二极管D3组成。当D1通过驱动电流I f时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2.D3上,反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分,从而产生控制电流I 1 (I 1 =0.005I f )。该电流用来调节I f以补偿D1的非线性。输出光电二极管D3产生的输出电流I 2与D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K 1 =I 1 /I f ,正向增益K 2 =I 2 /I f ,则传输增益K 3 =K 2 /K 1 =I 2 /I 1 ,K 3的典型值为1。

    3电流检测电路
    3.1光电导模式下的电流检测电路设计
    HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示,信号为正极性输入,正极性输出。隔离电路中,R 1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小,C 1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR200中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是,随着频率的提高,阻抗将变小,HCNR200的初级电流增大,增益随之变大,因而,C 1的引入对通道在高频时的增益有一定影响,虽然减小C 1的值可以拓展带宽,但是,会影响初级运算放大器的增益,同时,初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。R 3可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一 定作用。

    3.2光电压模式下的电流检测电路设计
    HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示,信号为正极性输入,正极性输出。R 1.R 2.R 3.C 1的作用与在光电导模式下的作用基本相同。放大器A1调节电流I f。当输入电压V in增加时,I 1增加,同时放大器A1“+”输入端电压增加,促使电流I f增加。由于D1与D2之间的联系,I 1就会把“+”输入端电压重新拉回0V,形成负反溃如果放大器A1的输入电流很小,那么流经R 1的电流就为V in /R 1 =I 1。显而易见,I 1与V in之间是线性比例关系。I 1稳定线性变化,I f也稳定线性变化。
    因为D3受到D1光照,I 2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R 2将I 2转化成电压V Out =I 2×R 2。

    4运算放大器的选择
    HCNR200/201是电流驱动型器件,其LED的工作电流为1mA~20mA,因此,运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型,因此,选双极型运算放大器较合适。同时,根据输入电压范围,也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的HA17324集成运算放大器,其输出电流可达40mA。
    5电阻器的选择
    下面讨论光电导模式下电阻器的选择。
    A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中,R f是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器,故U+ =U- ,且U+ =V in ,因此V in =U-。

    由图2显而易见,

    式中,VD1为D1的正向压降。
    由图4可见,

    故将式(3)代入式(4)

    由于器件参数的离散性,I 1近似等于0.005I f ,K 3 =I 2 /I 1≈1,所以,R 1.R 2.R 3尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。

    调节后,最佳线性度为220Ω。
    6结论
    应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。若驱动级。
    缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。
    HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性。线性度和带宽的模拟信号隔离场合。采用两片HCNR200可以工作在双极性输入/双极性输出模式;同时,还可以工作在交直流电路。变换器的隔离。热电偶的隔离。
    4mA~20mA模拟电流环发射/接收等多种模式下,可广泛应用在数字通讯。
    电压电流检测。开关电源。测量和测试工业过程控制等方面。
    将该器件用于电机电流测量,电流反馈准确。可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。

    引用网址:http://www.b2b99.com/hyzs/dz/11372.htm

               

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  • 一、1. 线形光耦介绍 ...常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到...对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离

    参考:http://blog.csdn.net/augusdi/article/details/17638941


    一、1. 线形光耦介绍

    光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。

    对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见的选择,但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案,如ADI的AD202,能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂,体积大,成本高,不适合大规模应用。

    模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,这样,就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。

    市场上的线性光耦有几中可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

    2. 芯片介绍与原理说明

    HCNR200/201的内部框图如下所示

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化,电压的变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,即

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    K1与K2一般很小(HCNR200是0.50%),并且随温度变化较大(HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间),但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

    HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于HCNR200,HCNR201提供更高的线性度。

    采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示:

    * 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;

    * 线性系数K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;

    * 温度系数: -65ppm/oC;

    * 隔离电压:1414V;

    * 信号带宽:直流到大于1MHz。

    从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

    3. 典型电路分析

    Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示:

    图2

    设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。

    将前级运放的电路提出来看,如下图所示:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系:

    Vo=Voo-GVi  (1)

    其中是在运放输入差模为0时的输出电压,G为运放的增益,一般比较大。

    忽略运放负端的输入电流,可以认为通过R1的电流为IP1,根据R1的欧姆定律得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    其中,为光耦2脚的电压,考虑到LED导通时的电压()基本不变,这里的作为常数对待。

    根据光耦的特性,即

        K1=IP1/IF  (4)

    将和的表达式代入上式,可得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

        上式经变形可得到:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    将的表达式代入(3)式可得:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    考虑到G特别大,则可以做以下近似:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    这样,输出与输入电压的关系如下:

    线性光耦原理与电路设计 - 木木 - 木木的博客

    可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定。一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

    4. 辅助电路与参数确定

    上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻的阻值。

    4.1 运放选型

    运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201的外围电路。

    4.2 阻值确定

    电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。K1已知的情况下,IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max,这样,由于Vo的范围最小可以为0.

    考虑到IFmax大有利于能量的传输,这样,一般取

    另外,由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑IPD1的限制,

    R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将R2=R1即可。

    另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。

    4.3 参数确定实例

    假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

    * 确定IFmax:HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

    * 确定R3:R3=5V/25mA=200;

    * 确定R1:;

    * 确定R2:R2=R1=32K。

    二、线性光耦在电流采样中的应用
    1引言
    在现代电气测量和控制中,常常需要用低压器件去测量。控制高电压。强电流等模拟量,如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么,高电压。强电流很容易串入低压器件,并将其烧毁。线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,隔离电压峰值达8000V;输出跟随输入变化,线性度达0.01%。
    2 HCNR200/201简介
    HCNR200型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1.反馈光电二极管D2.输出光电二极管D3组成。当D1通过驱动电流I f时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2.D3上,反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分,从而产生控制电流I 1 (I 1 =0.005I f )。该电流用来调节I f以补偿D1的非线性。输出光电二极管D3产生的输出电流I 2与D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K 1 =I 1 /I f ,正向增益K 2 =I 2 /I f ,则传输增益K 3 =K 2 /K 1 =I 2 /I 1 ,K 3的典型值为1。

    3电流检测电路
    3.1光电导模式下的电流检测电路设计
    HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示,信号为正极性输入,正极性输出。隔离电路中,R 1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小,C 1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR200中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是,随着频率的提高,阻抗将变小,HCNR200的初级电流增大,增益随之变大,因而,C 1的引入对通道在高频时的增益有一定影响,虽然减小C 1的值可以拓展带宽,但是,会影响初级运算放大器的增益,同时,初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。R 3可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一 定作用。

    3.2光电压模式下的电流检测电路设计
    HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示,信号为正极性输入,正极性输出。R 1.R 2.R 3.C 1的作用与在光电导模式下的作用基本相同。放大器A1调节电流I f。当输入电压V in增加时,I 1增加,同时放大器A1“+”输入端电压增加,促使电流I f增加。由于D1与D2之间的联系,I 1就会把“+”输入端电压重新拉回0V,形成负反溃如果放大器A1的输入电流很小,那么流经R 1的电流就为V in /R 1 =I 1。显而易见,I 1与V in之间是线性比例关系。I 1稳定线性变化,I f也稳定线性变化。
    因为D3受到D1光照,I 2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R 2将I 2转化成电压V Out =I 2×R 2。

    4运算放大器的选择
    HCNR200/201是电流驱动型器件,其LED的工作电流为1mA~20mA,因此,运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型,因此,选双极型运算放大器较合适。同时,根据输入电压范围,也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的HA17324集成运算放大器,其输出电流可达40mA。
    5电阻器的选择
    下面讨论光电导模式下电阻器的选择。
    A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中,R f是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器,故U+ =U- ,且U+ =V in ,因此V in =U-。

    由图2显而易见,

    式中,VD1为D1的正向压降。
    由图4可见,

    故将式(3)代入式(4)

    由于器件参数的离散性,I 1近似等于0.005I f ,K 3 =I 2 /I 1≈1,所以,R 1.R 2.R 3尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。

    调节后,最佳线性度为220Ω。
    6结论
    应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。若驱动级。
    缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。
    HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性。线性度和带宽的模拟信号隔离场合。采用两片HCNR200可以工作在双极性输入/双极性输出模式;同时,还可以工作在交直流电路。变换器的隔离。热电偶的隔离。
    4mA~20mA模拟电流环发射/接收等多种模式下,可广泛应用在数字通讯。
    电压电流检测。开关电源。测量和测试工业过程控制等方面。
    将该器件用于电机电流测量,电流反馈准确。可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。

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  • 51单片机与RS485应用电路图

    千次阅读 2013-02-22 10:12:24
    最近用到RS485,找了点资料,保存保存以后用。   --------以上部分请勿修改!------------- ...摘 要:就485总线应用中易出现的问题,分析了产生的原因并给出解决问题的软硬件方案 ...--------------------------...

    最近用到RS485,找了点资料,保存保存以后用。

     


    --------以上部分请勿修改!-------------
    提高485总线的可靠性

    摘 要:就485总线应用中易出现的问题,分析了产生的原因并给出解决问题的软硬件方案
    和措施。
    关键词:RS-485总线、串行异步通信


    --------------------------------------------------------------------------------

    1 问题的提出

    在应用系统中,RS-485半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的数据通信总
    线,它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。系统简图如图1所示。


    图1. RS-485系统示意图

    由于实际应用系统中,往往分散控制单元数量较多,分布较远,现场存在各种干扰,所
    以通信的可靠性不高,再加上软硬件设计的不完善,使得实际工程应用中如何保障RS-485总
    线的通信的可靠性成为各研发机构的一块心病。

    在使用RS-485总线时,如果简单地按常规方式设计电路,在实际工程中可能有以下两个问
    题出现。一是通信数据收发的可靠性问题;二是在多机通信方式下,一个节点的故障(如死
    机),往往会使得整个系统的通信框架崩溃,而且给故障的排查带来困难。

    针对上述问题,我们对485总线的软硬件采取了具体的改进措施

    2 硬件电路的设计

    现以8031单片机自带的异步通信口,外接75176芯片转换成485总线为例。其中为了实现
    总线与单片机系统的隔离,在8031的异步通信口与75176之间采用光耦隔离。电路原理图如
    图2所示。


    图 2 改进后的485通信口原理图

    充分考虑现场的复杂环境,在电路设计中注意了以下三个问题。

    2.1 SN75176 485芯片DE控制端的设计

    由于应用系统中,主机与分机相隔较远,通信线路的总长度往往超过400米,而分机系
    统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个75176的DE端电位为“1”,那
    么它的485总线输出将会处于发送状态,也就是占用了通信总线,这样其它的分机就无法与
    主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下(死机),会使整个系统通信
    崩溃。因此在电路设计时,应保证系统上电复位时75176的DE端电位为“0”。由于8031在复
    位期间,I/O口输出高电平,故图2电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。

    2.2 隔离光耦电路的参数选取

    在应用系统中,由于要对现场情况进行实时监控及响应,通信数据的波特率往往做得较
    高(通常都在4800波特以上)。限制通信波特率提高的“瓶颈”,并不是现场的导线(现场
    施工一般使用5类非屏蔽的双绞线),而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。此
    处采用TIL117。电路设计中可以考虑采用高速光耦,如6N137、6N136等芯片,也可以优化普
    通光耦电路参数的设计,使之能工作在最佳状态。例如:电阻R2、R3如果选取得较大,将会
    使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小,退出饱和也会很慢,所以这两
    只电阻的数值要精心选取,不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异,这
    一点在电路设计中要特别慎重,不能随意,通常可以由实验来定。

    2.3 485总线输出电路部分的设计

    输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境
    比较复杂,现场常有各种形式的干扰源,所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电
    路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路,也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器
    件,或者直接选用能抗雷击的485芯片(如SN75LBC184等)。

    考虑到线路的特殊情况(如某一台分机的485芯片被击穿短路),为防止总线中其它分
    机的通信受到影响,在75176的485信号输出端串联了两个20Ω的电阻R10、R11。这样本机的
    硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。

    在应用系统工程的现场施工中,由于通信载体是双绞线,它的特性阻抗为120Ω左右,
    所以线路设计时,在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻(如图2中
    R8),以减少线路上传输信号的反射。

    由于RS-485芯片的特性,接收器的检测灵敏度为± 200mV,即差分输入端VA-VB ≥
    +200mV,输出逻辑1,VA-VB ≤-200mV,输出逻辑0;而A、B端电位差的绝对值小于200mV
    时,输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时,接收器输出逻辑0,这会误认为通
    信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位,这样
    RXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平,8031单片机就不会被误
    中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R7、R9,即可很好地
    解决这个问题。

    3 软件的编程

    485芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响。由于485总线是异步半双工的通信总
    线,在某一个时刻,总线只可能呈现一种状态,所以这种方式一般适用于主机对分机的查询
    方式通信,总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机,所以需要制定一
    套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式。通信数据是成帧
    成包发送的,每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。
    其中引导码是用于同步每一包数据的引导头;长度码是这一包数据的总长度;命令码是主机
    对分机(或分机应答主机)的控制命令;地址码是分机的本机地址号;“内容”是这一包数
    据里的各种信息;校验码是这一包数据的校验标志,可以采用奇偶校验、和校验等不同的方
    式。

    在485芯片的通信中,尤其要注意对485控制端DE的软件编程。为了可靠的工作,在485
    总线状态切换时需要做适当延时,再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下,先
    将控制端置“1”,延时1ms左右的时间,再发送有效的数据,一包数据发送结束后再延时
    1ms后,将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时,有一个稳定的工作过程。

    4 结论

    经过以上的软硬件共同处理,RS-485总线在应用系统工程中的可靠性大大提高,在通常
    的环境条件下,24小时连续开机,系统的通信始终处于正常状态,整机性能满足了现场工程
    的需要。

    但是RS-485总线仍然只是一种常规的通信总线,它不能够做总线的自动仲裁,也就是不
    能够同时发送数据以避免总线竞争,所以整个系统的通信效率必然较低,数据的冗余量较
    大,对于速度要求高的应用场所不适宜用RS-485总线。同时由于RS-485总线上通常只有一台
    主机,所以这种总线方式是典型的集中-分散型控制系统。一旦主机出现故障,会使整个系
    统的通信陷于瘫痪状态,因此做好主机的在线热备份是一个重要措施。

    尽管RS-485总线存在这样那样的问题,但由于它的线路设计简单、价格低廉、控制方
    便,只要合理的使用在某些场所仍然能发挥良好的作用。

     

    转载自:http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_2073872.HTM

     

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  • 在实验板上做的uart,485通信等,基本上都是没有做隔离,即通信电路和系统电路共...TX,RX是单片机发出的通信信号,TX-out,RX-out是连接远程的的通信接口。当TX为高电平时,光耦导通,即TX+和TX-导通,TX-out为高电平。

    在实验板上做的uart,485通信等,基本上都是没有做隔离,即通信电路和系统电路共地,如果通信距离加大,会造成系统不稳定。

    在公司中的原理图看到了这个光电隔离电路,觉得不错,分析一下,记录下来。

    先上原理图,自己重绘了一下。


    TX,RX是单片机发出的通信信号,TX-out,RX-out是连接远程的的通信接口。当TX为高电平时,光耦导通,即TX+和TX-导通,TX-out为高电平。

    RX接收电路原理一样。

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单片机之间光耦通讯原理