恶劣环境下隔离型串行通讯接口的应用

摘要：文章介绍一种隔离供电专用器件MAX253，阐明了隔离供电技术应用的原因、原理。并结合恶劣环境下串行通信接口RS-485的应用，详细阐述了隔离型数据接口在抗恶劣环境下的应用原理及实用技巧。
关键词：隔离供电；串行通信接口；隔离型数据接口

0 概述
    众所周知，在恶劣环境下，且对通信质量的要求较高时，为确保信息在通信过程中的质量，降低误码率，人们通常都要采用隔离技术。这种隔离不仅包括通信线路隔离，而且还包括供电系统的隔离。这里仅就解决供电系统的隔离机理和方法进行探讨。
    所谓供电系统的隔离就是将来自供电系统的干扰排除或消化在输入电路之前(如可以将其转变成电流信号，然后转化成热量消耗掉)，从而达到保证通信信息质量的目的。
    电源本身的通／断、电压波动、强的环境噪声等都会形成供电系统的干扰，其形式表现为在线脉冲。试验结果表明，一个峰值为30A的ESD(静电放电)脉冲在地线上会产生几十毫伏的电阻压降，但是它陡峭的上升时间(30A／ns)可以在同样的线路上(假设线电感为1nH／cm)产生高达几百伏的感应电压，这足以导致错误数据的产生，如此高的频率将产生集肤效应，使线电阻显著增加。为了抵消这种效应，需要采用大面积接地以获得低阻特性。此外，快速上升脉冲将产生FTB(快速瞬变)和ESD干扰，通过电容耦合到低噪声区域。在解决这个问题时，经常有人错误地在主电源变压器上增加额外的绕组来提供一个隔离的电源，这种方法只能导致干扰进一步扩散，使整个电路受到影响。
    由于信号电路无法承受千伏级电压，这种干扰可以被地回路电流引入接口并流过整个电路，一般需要电流隔离。在连接线较长或地回路电流较大的上业系统中，隔离是一种行之有效的办法。
    专用隔离供电芯片MAX253与串行通信接口RS485配套使用，可为RS485隔离数据通信接口提供良好的隔离电源，使其工作更加稳定可靠。

1 隔离供电专用器件MAX253简介
    MAX253是一种集振荡器／电源一驱动器于一体的单片集成开关电源器件。其内部主要由一个CMOS震荡器与一个N沟道功率开关管组成，振荡器具有可供选择的两个振荡频率以便提供两种不同的供电电流，振荡器再驱动触发器产生占空比50％的方波加到功率开关管，使两个开关管交替工作，并且由于存在内部延迟而使一个功率开关管关断前另一个功率开关管已经导通。它的输出端连接具有中心抽头的变压器原边，该抽头连接+5V或+3．3V电源，变压器的副边即可提供所需的隔离电源，功率可达1瓦的5V电压，或者0．6瓦的3．3V电压。MAX253的工作原理如图1，芯片引脚封装定义如图2所示。

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    芯片MAX253的每个引脚信号具体逻辑功能见表1。

     MAX253采用驱动器构成前向电压转换器，提供隔离电压，封装尺寸小，可提供有效的噪声屏障。微型变压器要求耦合电容低于10pF、功率1瓦、隔离电压为1kV。它构成了一种低成本的解决供电系统的隔离方案。

2 串行数据接口标准RS-485简介
    串行数据接口标准在军品和民品有着广泛的应用，典型的有RS-232、RS-422、RS-485等。其中RS-485标准是RS-422标准的改进版本，由于技术更加先进，其应用将更加广泛。
    RS-485使用单一的+5V或+3V的电源，具有传输距离远、通信可靠的优点，其逻辑电平可与传统的TTL电平兼容。它对传输介质物理层无严格要求，仅需将普通双绞线捆绑在一起即可简便组网。除点对点、广播通信方式外，RS-485还具有多点通信方式。在多点通信方式中，通常使用一个设备作为主站，其余为从站，当主站发数据的时候，在数据串中嵌入从站固有的ID识别码，从而实现主站与任一从站之间的数据通信。如果不带从站识别码则可面向所有从站实现广播通信。
     MAX481E是RS-485的标准接口器件，使用单一+5V供电，内含一个发送器与一个接收器。芯片每个引脚信号具体逻辑功能见表2。

    用MAX481E组网通信时，只需通过双绞线将各节点的同名端捆绑在一起，或按总线型结构并连接到沿途的双绞线主总线上，需在线路的两端各接一个120Ω的终端匹配电阻。器件本身有温敏控制电路构成的短路电流保护与过压保护，在这两种过载情况下，驱动器将处于高阻态，接收器的输出保持为高电位。
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3 隔离型数据接口
    图3是我们在实际电路设计中应用的一种典型的隔离型RS-485数据接口电路。下面就其工作机理和使用技巧做进一步介绍。

    MAX667是一个稳压模块，即低阻输出的线性调压器，它将MAX253输出的电压稳定在+5V，使之成为一个恒压源。通过变压器与光耦的隔离和耦合作用，使得左右两侧的电源电路没有任何电气连接点，因而能承受有效值高达1800V的高压冲击。
这种设计适用于高压、地电位差大、噪声大的恶劣环境下使用。因此，对电路中所用的变压器和光耦有严格的技术要求。
    为保障可靠的隔离，其虚线所指示的“隔离屏障”是不能破坏的，某一侧的元件、连接点或连接线不能靠近另一侧的元件、连接点或连接线。
    光耦器件能抑制各种尖脉冲及各种噪音等的干扰，从而在传输信息中大大提高信噪比。它的输入阻抗都很低，而干扰源的内阻一般都比较大，因此能馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就比较小。虽然干扰源也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能产生微弱的电流，因此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使LED发光，从而也会被抑制掉。它的输出是高阻抗的，因此布局时应尽量靠近接口芯片，即尽量缩短光耦输出脚与接口芯片引脚之间的连线，使得分布电容尽量小而有利于提高传输率。
    图中所用的光耦是限制接口通信速率的主要因素，必须选用高速器件。接口速率的上限取决于器件本身的技术参数，单个通道的通常为10MB／s(光耦6N137)或1MB／s(光耦6N135)等。若用廉价的4N系列非线性光耦取代高价的6N137元件，其数据传输率也可达到9．6kb／s。
    图中的电源实质上都是一个DC-DC变换器，输出波纹较大，如果在MAX253的输出端增加两个元件组成一个简单的LC低通滤波器，则输出波纹噪声峰值可以减少到大约只有10mV。
    图中的串行通信接口MAX481采用差分平衡方式传送数据，对共模信号有很好的抑制作用。理论上讲，A、B两条线对地而言应该是完全对称的，但是我们在实际调试当中发现，当传输速度不高或传输距离不远时，完全可以省掉地线，采用一对普通的双绞线即可获得满意的效果。当周围环境比较恶劣，传输速度很高或传输距离较远时，应使用带屏蔽的双绞线电缆，屏蔽线作为地线，且在主站一端应可靠接入大地，另一端则悬空。
    如果电缆两端都接地，通常两个地的“地电位”不可能完全相同，如果两个地存在较大的“地电位差”，那么在屏蔽线中会形成电流而产生干扰。因此，另一端需要悬空。
    另一种解决方法是屏蔽线两端都不直接接地，但是也不悬空，而是分别通过一个100 Ω／1W的限流电阻将屏蔽线接各自的公共地，即机壳地，这样也可以抑制电流引入的干扰。
    我们知道发送驱动器的接收器节点数最多可达256个，数据传输速率可以从几百kb／s到32Mb／s。由于串行通信接口节点数量较多，就需要考虑终端匹配的问题。终端匹配电阻的阻值理论上应等于电缆的特性阻抗，这样才能彻底抑制传输线终端形成的反射现象。但在实际使用过程中，难以达到完全匹配的效果。
    在调试使用过程中，当数据传输速率较低，传输线效应不明显时，不必接终端匹配电阻。接上还可能加重负载，使信号幅度明显下降。当数据传输速率很高时，为了减小反射，应连接终端匹配电阻。可使用以下方法进行调试。
    先连好网络并做好通信的准备，再令主站以实际使用的波特率连续发送数据55H，此时用示波器可测得通信线路上的方波，在接收端观察波形，调整终端匹配电阻的大小直到获得最佳波形为止。但有时会出现波形好，效果却可能并不理想的情况，这种情况通常是波形幅值偏低造成的；双绞线之间的波形幅值电压应不小于200mV，否则应降低波特率或更换质量更好的电缆。按上述方法调试，就能得到满意的效果。

4 结束语
    隔离型数据接口电路设计保证了恶劣电磁环境下数据通讯的可靠性。它既对供电电路进行了隔离设计，保证了供电的稳定性；又对数据接口采用了光耦隔离，有效提高了耐冲击、抗干扰能力。在实际的使用中电路性能稳定可靠，保障了产品在恶劣环境中工作正常。