用于DCS远距离通信的RS485转光纤模块设计_荣亚迪.pdf
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1、2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2收稿日期:20220530用于 DCS 远距离通信的 S485 转光纤模块设计荣亚迪,吴胜华,王强(南京邮电大学,江苏南京210023)摘要:针对在 DCS 系统中 DPU 与 I/O 卡件进行 S485 通信会产生电信号的衰减、易受到电磁干扰,数据需要远距离传输的要求,设计了一种用于 DCS 远距离通信的 S485 转光纤模块。该模块主要包含光模块、S485 通讯芯片和保护电路,通过光模块可以将 S485 通讯芯片发送的电信号转化为光信号,实现 DPU 与较远距离的 I/
2、O 卡件进行数据交互。实验结果表明:该模块可以实现数据的可靠传输,有效地解决了在远距离情况下集散控制系统主控与卡件稳定通信问题,具有较好的实用性。关键词:DCS;S485;光模块;光纤;保护电路;远距离中图分类号:TP302文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02004004Design of S485 to Optical Fiber Module for DCS Long-distance CommunicationONG Ya-di,WU Sheng-hua,WANG Qiang(Nanjing University of Posts and Telecommunicat
3、ions,Nanjing 210023,China)Abstract:In the DCS system,the S485 communication between the DPU and the I/O card will produce electrical signal at-tenuation,be susceptible to electromagnetic interference,and the data needs to be transmitted over long distances,an S485 tooptical fiber module for DCS long
4、-distance communication was designedThe module mainly included an optical module,an S485communication chip,and a protection circuitThrough the optical module,the electrical signal sent by the S485 communicationchip can be converted into an optical signal,to realize the data exchange between the DPU
5、and the I/O card in long distanceTheexperimental results show that the module can realize reliable data transmission,effectively solves the problem of stable communi-cation between the main control and the card of the distributed control system in the case of long-distance,and has good practica-bili
6、tyKeywords:DCS;S485;optical module;optical fiber;protective circuit;long-distance0引言在工业控制领域中,S485 通信由于其硬件设计简单、传输数据量大、控制方便等优点而被广泛应用,但是常用的 S485 通信采用双绞线传输信号会带来电信号衰减、易受电磁干扰和高速信号传输距离较短等问题14。为了克服上述问题,设计了一种 S485转光纤模块。设计采用了光纤作为传输介质,其传输的光信号不容易受到外界电磁干扰的影响,信号衰减慢而且更适合高速信号远距离传输。常用的 DCS 系统中,因为 DPU 的成本较高因此不可能将 DPU
7、 放置于控制现场,因此远程控制站的 I/O 卡件会通过S485 通信与 DPU 交换数据,由于集散控制系统中控制系统的分散性需要较远距离的 S485 通信,通过S485 转光纤模块可以实现将 I/O 卡件发送的数据由电信号转化为光信号利用光纤实现高速、可靠传输。1总体设计S485 转光纤模块主要包括了光模块、S485 通讯芯片、自动切换电路和一些保护电路部分,电路原理图如图 1 所示。光模块可以实现将 DPU 或者 I/O卡件发送的 S485 差分电信号转换为光信号,也可以将光信号转换为电信号。S485 通讯芯片与光模块连接将转化后的电信号转换为差分信号。自动切换电路完成光电信号的自动切换。同
8、时增加了保护电路模块可以应对静电放电、感性负载关闭或者雷击引起的电过压瞬变,以保证整个电路可以在恶劣环境中稳定可靠工作。2硬件设计21光模块光纤所传输的光信号不易受外界电磁信号的干扰,信号的衰减速度慢,所以信号的传输距离比电信号要远,特别适用于电磁环境恶劣的地方。一根光纤内部可以同时传送多路信号,所以光纤的传输速度非常高。在要求可靠、高速、长距离传送数据时,光纤是第 2 期荣亚迪等:用于 DCS 远距离通信的 S485 转光纤模块设计41图 1S485 转光纤模块原理图一个理想的选择5。设计选用的光模块为 NT 21XX 系列,可以实现光电转换,收发器支持高达 10Mbps 的数据速率,传输距
9、离最高可达 40 km。NT 光模块信号端口如图 2 所示,1、5、6、9 号引脚是和电源相关的信号;SD 引脚为光纤信号侦测引脚;D 和D为差分数据输出引脚;TD 和TD为差分数据输入引脚。图 2光模块信号端口光模块主要包括光电子器件、光接口和功能电路,其结构如图 3 所示。其中光电子器件包括 2 部分:发射器和接收器6。发射器的功能是将 S485 通讯芯片所要发送的电信号通过 D 引脚输入到内部的驱动芯片,驱动发光二极管(LED)发出相应速率的调制光信号;接收器的功能是通过光探测二极管将一定速率的光信号转换为电信号。经过前置放大电路可以输出相应速率的电信号到 TD 引脚。当光信号的功率小于
10、一定的值时,光纤信号侦测引脚 SD 则会输出警告信号。22S485 通讯芯片通讯芯片选用 MAX14783E,可以进行高速率半双工S485 通信,原理图如图4 所示。其具有最高42 Mbps 的传输速率,工作温度可达40125,该芯片最多可支持 32 个从节点。S485 通讯芯片的数字逻辑是根据 A、B 引脚之间的电压差来确定的。作为发送器,A、B 之间的电压差为 26 V 表示逻辑 1,2 6 V表示图 3光模块结构图逻辑 0。作为接收器,A、B 之间的电压差大于 200 mV表示逻辑 1,小于200 mV 表示逻辑 0。图 4收发器模块原理图光模块通过 D 和 TD 2 个引脚分别连接到M
11、AX14783E 的 DI 和 O 引脚。在光模块没有接收到信号时,默认 情 况 下 D 输 出 的 是 高 电 平,此 时MAX14783E 的控制引脚E和 DE 都为低电平,芯片处于接收状态,则 A、B 引脚处于高阻状态,但是由于上拉电阻和下拉电阻的存在,A 和 B 之间的电压差在 26 V 之间,传输的电平为逻辑 1。23自动切换电路S485 转光纤模块的光电信号自动切换的功能是光模块的 D 引脚通过 74LS00 与非门输出与收发器模块中的E和 DE 引脚连接实现的。在默认情况下,42Instrument Technique and SensorFeb2023D 为高电平,通过一个 7
12、4LS00 与非门输出低电平,与非门的输出与E和 DE 引脚连接,此时E被使能,S485 收发器处于接收状态。当需要发送光模块接收到的数据时,光模块接收到 1,则与默认情况相同接收器发送的数据由连接到 A、B 引脚的上拉电阻和下拉电阻决定,发送的数据为逻辑 1。光模块接收到 0,则通过 74LS00 输出 1,则使能 DE 引脚,S485 收发器自动切换为发送状态,发送数据为光模块接收到的 0。24保护电路S485 通信在工业控制中可能会处于非常恶劣的环境,如静电放电、电磁干扰、雷击引起的瞬变电压等7。对于预防静电放电问题,通常采用的方法是降低器件对瞬变干扰的敏感度。本设计中的保护电路主要包含
13、 TVS 双向二极管 SESM712、瞬态阻塞单元TBU CA085 200MA 和 气 体 放 电 管(GDT)SG3D05B090。这种类型的保护方案由主保护和次级保护两级保护组成。次级保护由 SESM712 提供,原理图如图 5 所示,其由 2 个双向 TVS 二极管组成,可以保护具有不对称工作电压(7 12 V)的 S485 应用免受静电放电(ESD)、电气快速瞬变(EFT)和雷击浪涌造成的损害8。对于 ESD 和 EFT 可以提供 4 级保护,但是对电涌的保护只能到达 2 级9,为了提高电涌保护级别,本设计特地增加了瞬态阻塞单元 TBU 和气体放电管 GDT。图 5TVS 二极管原理
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