Делаем изолированный полнодуплексный приемопередатчик интерфейса RS485

В статье мы рассмотрим схему модуля изолированного полнодуплексного приемопередатчика дифференциальной линии стандарта TIA/EIA RS485/RS422 (Рисунок 1). Модуль идеально подходит для длинных линий передачи данных, поскольку контур заземления разорван, что позволяет работать в широком диапазоне синфазного сигнала. Симметричный изолирующий барьер модуля был протестирован и гарантирует изоляцию до 2500 В с.к.з. между приемопередатчиком линии и интерфейсом логического уровня.

Рисунок 1.	Модуль изолированного полнодуплексного приемопередатчика RS485.

Принципиальная схема изолированного приемопередатчика RS485 изображена на Рисунке 2. Основной компонент модуля – микросхема изолированного полнодуплексного приемопередатчика дифференциальной линии серии ISO35 компании Texas Instruments. Модуль питается от одного источника напряжения 3.3 В. Микросхема SN6505 (драйвер трансформатора) и трансформатор Wurth Elekronics 760390015 образуют схему изолированного DC-DC преобразователя для генерации напряжения +5 В и питания изолированных цепей микросхемы ISO35 (со стороны линии). Микросхема LM1117-5V регулирует выходное напряжение DC-DC преобразователя и обеспечивает стабильное напряжение 5 В на выходе.

Рисунок 2.	Принципиальная схема изолированного полнодуплексного приемопередатчика RS485.

Сигналы интерфейса управления для подключения к микроконтроллеру, а также питание модуля,  выведены на штыревой разъем CN2. Винтовые разъемы CN3 предназначены для подключения линии передачи данных. Штыревой разъем CN1 предусмотрен для варианта питания изолированной части приемопередатчика от внешнего источника 5.0 В. Светодиод D3 свидетельствует о наличии питания.

Как известно, любые кабельные линии передачи данных подвергаются воздействию импульсных помех и электрических шумов, что может привести к выходу из строя приемопередатчика и/или чувствительных цепей, если эти помехи имеют достаточную величину и длительность. Данный модуль может повысить защиту и снизить риск повреждения дорогостоящей схемы управления. Устройство может найти применение в системах безопасности, системах автоматизации производства, схемах управления электродвигателями, сетевых станциях безопасности, системах автоматизации зданий.

Основные преимущества такого решения:

• требуется один источник питания 3.3 В;
• встроенный изолированный DC-DC преобразователь обеспечивает напряжение питания 5 В для питания схемы со стороны линии передачи данных;
• штыревой разъем для подключения интерфейса микроконтроллера;
• 4-контактный винтовой разъем для полнодуплексного обмена данными;
• светодиод индикации питания;
• размеры платы 36.3 мм × 30.4 мм

Принцип работы модуля

Когда на вход включения драйвера (DE) подается высокий лог. уровень, на дифференциальных выходах Y и Z лог. уровень следует за состоянием на входе данных D. Высокий лог. уровень  на входе D приводит к тому, что на выходе Y появляется высокий лог. уровень, а на выходе Z – низкий. В этом случае дифференциальное выходное напряжение, определенное как VOD = V(Y) – V (Z), является положительным. Когда на входе D появляется низкий лог. уровень, то на выходе Z появляется высокий, на выходе Y – низкий лог. уровень, а напряжение VOD становится отрицательным. Если на вход включения драйвера DE подать низкий лог. уровень, то оба выхода переключаются в высокоимпедансное состояние. Вывод DE имеет внутренний подтягивающий к земле резистор, поэтому, если этот вывод оставить неподключенным, драйвер будет находится в неактивном состоянии (выходы в высокоимпедансном состоянии). Вход данных D имеет внутренний подтягивающий к питанию резистор; если оставить этот вывод неподключенным, а драйвер включить (DE=1), то на выходе Y будет высокий лог. уровень, на Z – низкий.

В случае, когда на вход управления приемом RE подан низкий лог. уровень, приемник переходит в активное состояние. Если дифференциальное входное напряжение, определенное как VID = V (A) - V (B), является положительным и превышает положительный порог входа VIT+, на выходе приемника появляется высокий лог. уровень. Когда VID отрицательное и меньше отрицательного порога VIT-, на выходе приемника появляется низкий лог. уровень. Когда на вход управления приемом RE подан высокий лог. уровень, или он остается неподключенным, выход приемника переключается в высокоимпедансное состояние, а величина и полярность VID не имеют значения. Внутренне смещение входов приемника обеспечивает высокую надежность в случаях когда приемник отключен от шины (разомкнутая линия данных), линии шины замкнуты (короткое замыкание) или шина неактивна.

Список компонентов

Обозначение в схеме	Количество	Описание, корпус
CN1	1	2-выводный штыревой коннектор
CN2	1	6-выводный штыревой коннектор
CN3	1	4-выводный винтовой разъем
С1	1	10 мкФ, smd 1210
С2, С3, С6	3	0.1 мкФ, smd 0805
D1, D2	2	SS14, smd 0805
D3	1	Светодиод, smd 0805
R1	1	220 Ом, smd 0805
TR1	1	Трансформатор Wurth 760390015
U1	1	LM1117-5.0, smd
U2	1	SN6505, smd
U3	1	ISO35, smd
C4, C5	2	10 мкФ, smd 0805

Модуль выполнен на двусторонней печатной плате, внешний вид платы и расположение элементов показаны на Рисунке 3. В разделе загрузок доступны  Gerber-файлы для изготовления печатной платы.

Рисунок 3.	Вид печатной платы и расположение элементов.

Подключение модуля к системе управления и линии передачи данных представлено на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Подключение модуля приемопередатчика RS485 к системе управления и линии передачи данных.

Загрузки

1. Gerber-файлы печатной платы