高可靠性隔离型RS422接口的设计方案

文章摘要：3 RS422 接口硬件电路设计为保证接口的可靠性，电路设计中要考虑到芯片的选择、接地、阻抗匹配、电气保护等 问题。市面上可供选择的RS422接口芯片种类很多，为了防止瞬态高压对接口的破坏以及有 效隔离各个系统模块直接的相互干扰，本方案选用的是美信公司的隔离型RS422接口芯片 MAX1490 AEPG。采用隔离的设计方案可以将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于 隔离层的高绝缘电阻不会产生损害性的浪涌电流，可以有效防止浪涌及静电对接口的损害。MAX1490A转换速率可达5.5Mbps，隔离电压可以到2500V，可以承受高电压持续时间较长的瞬 态干扰。同时MAX1490A是将高频变压器、

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　　3 RS422 接口硬件电路设计

　　为保证接口的可靠性，电路设计中要考虑到芯片的选择、接地、阻抗匹配、电气保护等 问题。市面上可供选择的RS422接口芯片种类很多，为了防止瞬态高压对接口的破坏以及有 效隔离各个系统模块直接的相互干扰，本方案选用的是美信公司的隔离型RS422接口芯片 MAX1490 AEPG。采用隔离的设计方案可以将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于 隔离层的高绝缘电阻不会产生损害性的浪涌电流，可以有效防止浪涌及静电对接口的损害。

　　MAX1490A转换速率可达5.5Mbps，隔离电压可以到2500V，可以承受高电压持续时间较长的瞬 态干扰。同时MAX1490A是将高频变压器、光耦、MAX490等元件集成到一个IC里面的单芯片， 电路实现起来也比较容易。MAX1490 AEPG是MAX1490A系列中的一款工业级芯片，使用温度范 围较商用级更广，为-40°C 到 +85°C。使用MAX1490AEPG设计的电路原理图如图2：

　　图2 MAX1490A 硬件电路图

　　此原理图参考了MAX1490A的数据手册的典型应用电路图。其中接口电路采用5V供电，C1、 C2是去耦电容，R3、R5、R6、R8取数据手册建议参考值。R1、R2为匹配电阻，可以降低信号 反射。R1、R2的取值取决于采用的传输数据线的阻抗，通常数双绞线特性阻抗大约在100 至 120 之间，所以R1、R2通常取120欧姆。实际应用中，匹配电阻并不一定需要。由于接收器 是在每个数据位的中点采样数据的，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑 匹配。具体而言R1、R2是否需要取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率，有一条经 验性的准则可用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的上升或下 降时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如对MAX1490A 而言，输出信号的上升或下降时间典型值为15ns，通常双绞线上的信号传输速率约为 0.2m/ns， 当电缆长度不超过１米的时候可以不用焊接R1、R2。RS422接口的接地是一个非 常重要的问题，接地处理不当经常会导致不能稳定工作甚至危及系统安全，没有一个合理的 接地系统可能会使系统的可靠性大打折扣，尤其是在工作环境比较恶劣的情况下对于接地的 要求更为严格。很多设计者认为RS422采用差分传输，通信链路可以不需要信号地，从而只 是简单地用一对双绞线将对应数据端口连接起来。这种接线方法在一般情况下也可以工作， 但给系统埋下了极大的隐患，主要会导致EMC和共模干扰导致数据出错两个问题。RS422 接 口采用差分方式传输信号，只需检测两线之间的电位差就可以判断数据值，但前提是收发驱 动器只有在共模电压不超出一定范围（-7V 至+12V ）的条件下才能正常工作，当共模电压 超出此范围就会导致接收驱动器接收数据出错，甚至有可能损坏接口。另外驱动器输出信号 中的共模部分需要一个返回通路，如果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，同样传输线也很容易受到 外界的电磁干扰。因此图2中的RS422接口的隔离地线需要通过传输线缆的屏蔽层连接起来， 另外在设计PCB布线和覆铜的时候需要注意将信号地和隔离地之间保持一定的距离，最好在 芯片下面的PCB导一个长方形的槽，这样可以有效防止爬电，以保证MAX1490A的2500V隔离效 果。稳压管D1～D8的作用是把数据传输线的电压牢牢限制在-7V至+12V，以有效保护RS422 接口。增加D9和D10的目的主要是为了防止浪涌电压损坏接口。

　　4 通讯接口的软件实现

　　RS422标准只对接口的电气特性做出规定而不涉及协议，因此我们可以定义自己的高层 通信协议。在本设计方案中，传感器节点和接入节点在底层以字节为单位通信，采用ASCII 协议，数据长度为11位：1位起始位+8位数据+1位偶校验+1位停止位。在上层协议中采用数 据包为单位通信。通信协议中使用了三种通信数据包：数据包、命令包和应答包。其中数据 包定义为：长度为100个字节，前面98个字节为数据字节，后面2个字节为校验字节，校验字 节为前98个字节以每2个为一组进行异或所得值；命令包定义为：长度为10个字节，第1个字 节固定为0X02，代表这个数据包为命令包，第2个字节为命令类型标志字节，用来表明命令 的类型，如请求发送数据命令、请求发送状态命令等。第2到第7字节为保留字节，暂时没有 定义，固定为0，可以留待以后扩充功能。最后两个字节为校验字节，校验字节为前8个字节 以每2个为一组进行异或所得值；应答包定义为：长度为10个字节，第1个字节固定为0X01， 表明这个数据包为应答包，第2字节为接收是否正常标志字节，为0X01代表正常，0X00代表 不正常。第3字节为接入节点和服务器通信故障是否错误标志字节，值0X01代表正常，0X00 代表故障。第3到第7字节为保留字节，暂时没有定义，固定为0，留待以后扩充功能。最后 两个字节为校验字节，校验字节为前8个字节以每2个为一组进行异或所得值。每种数据包均 引入字节偶校验和帧校验，这样可以有效得检测到通信中的数据错误。

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