用于DCS远距离通信的RS485转光纤模块设计_荣亚迪.pdf

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/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 Telecommunications，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-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 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-bilityKeywords: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 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MAX14783E 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 74LS00 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 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 二极管原理图TBU 作为主保护器件，其伏安特性曲线如图 6 所示，在电路正常工作时，TBU 具有低阻抗，此时它对电路几乎没有影响，但是当发生过流时，TBU 中的电流将会上升至触发电流 ITIG，TBU 会在不到 1 s 的时间内将受保护的电路与电涌断开，并保持高阻态，电路处于阻隔状态10。TBU 在高阻状态时，电路中的电流非常小，一般不到 1 mA。当电压降至 VESET以下或者静态电流被移除时，TBU 自动重置为低阻抗状态，系统恢复正常工作。气体放电管 GDT 的作用是当其两端电压超过电图 6TBU 的伏安特性曲线路正常工作的电压时，GDT 中的气体由于产生的电荷开始电离，此时 GDT 相当于短路，可以通过大电流保护后面的电路。TBU 和 GDT 的组合可以使得整个电路的 ESD、EFT 和电涌保护级别都达到 4 级。3工作原理以一个实例来说明 S485 转光纤模块在 DCS 系统中的应用。系统框图如图 7 所示，在 DCS 系统部署中 I/O 卡件所在的远程控制站与 DPU 的距离较远，因此需要远距离传输。以 DPU 发送 0 x66 给 I/O 卡件为例，默认情况下光纤上传输的数据为逻辑 1，模块 1 和模块 2 的 S485 通讯芯片都处于接收状态。图 7DCS 系统框图模块 2 的 S485 通讯芯片所发送的理论信号波形如图 8 所示，在默认情况下模块 1 光模块的 D 引脚一直保持高电平，S485 通讯芯片的E引脚被使能，则 S485 通讯芯片一直保持接收状态接收 DPU的数据也就是波形图中的 TX 信号。图 8模块 2 发送的数据模块 1 的 S485 通讯芯片所接收的信号波形如图9 所示，默认情况下 TX、X 引脚接收到的都为高电平，同时使能输入端的信号是光模块经过一个与非门所得到的信号为低电平，则 S485 通讯芯片处于接收状态，A、B 信号线处于高阻状态，其发送的数据由上拉电阻和下拉电阻所决定，此时 S485 芯片发送给 I/O卡件的信号为高电平。当 DI 引脚接收到起始位时，其上的信号变为低电平，此时使能端接收到高电平，S485 芯片处于发送状态，发送数据为光模块接收到第 2 期荣亚迪等:用于 DCS 远距离通信的 S485 转光纤模块设计43的 D 数据为逻辑 0。接收到的第 1 位数据与起始位相同，第 2 位数据为“1”，则 D 上的数据由低电平变为高电平，S485 芯片为接收状态，发送给 I/O 卡件的数据与默认状态一致为逻辑 1。如图 9 所示，X 为模块 1 接收到的信号，AB 为经过通讯芯片转化后的S485 电平。图 9模块 1 接收的数据4测试结果按照图 7 搭建测试系统，利用示波器抓取模块 1和模块 2 中 S485 通讯芯片引脚的波形图，如图 10图 13 所示。图 10 为测试模块 2 的 A、B 引脚的电压差波形图，其高电平电压为 384 V 表示 S485 的逻辑1，低电平为4 V 表示 S485 逻辑 0，所以发送的数据为 0 x66。图 11 为经过 MAX14783E 芯片转换后的 O引脚电平，其与图 8 的理论发送波形相一致。图 12 为模块 1 的 DI 引脚接收到的波形，其与图 11 发送的波形相同表示传输的数据正确。DI 引脚的数据转化为S485 电平信号的波形如图 13 所示，其与图 9 中 AB的理论波形相同，表明 S485 转光纤模块在实际系统中可以帮助解决主控与 I/O 卡件在远距离通信中所产生的信号衰减和电磁干扰等问题。图 10模块 2 的 A、B 引脚电压波形5结束语对于 S485 转光纤模块的设计，采用 NT21XX系列光模块，其将电信号化为光信号，利用光纤可以进行远距离传输，传输距离最高可达 40 km。使用MAX14783E 芯片，增加系统挂载的节点数量，其与光模块连接可以实现光电信号传输方向的自动切换。图 11模块 2 的 O 引脚电压波形图 12模块 1 的 DI 引脚电压波形图 13模块 1 的 A、B 引脚电压波形同时，增加了保护电路，通过 TVS 双向二极管、TBU 和气体放电管的组合，使得电路可以达到 4 级的 ESD、EFT 和电涌保护级别。测试表明，设计可以实现 DPU和远程控制站 I/O 卡件之间的远距离数据通信，可以将传统的 S485 通信电路改造成利用光纤的远距离通信，具有很好的实用价值。参考文献:1 张志，李琮琮，王平欣，等智能电能表 S485 接口设计方案综述 J 电测与仪表，2016，53(5):124128 2 陈航，严帅，刘胜，等基于 S485 总线的分布式高精度数据采集系统 J 仪表技术与传感器，2021(2):7174;79(下转第 49 页)第 2 期王婧等:压敏电阻的热应力分析及结构优化49明:原有结构在 300 测试后电阻发生断裂，而优化结构后的传感器在 300 测试以及更高的温度测试中，电阻条完好，电压输出正常，在高温区工作后仍具有正常的电压输出，表明了倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性，从而提高传感器的热稳定性。参考文献:1 杨荣森SiC 高温压力传感器综合应力仿真及可靠性分析 D 成都:电子科技大学，2020 2 王文涛，梁庭，杨娇燕，等基于 MEMS 技术的颅压监测传感器的设计与制备 J 微纳电子技术，2019，56(10):811816;851 3 张晓莉，陈水金耐高温压力传感器研究现状与发展 J 传感器与微系统，2011，30(2):14 4 梁庭，薛胜方，雷程，等高频响 MEMS 压力传感器设计与制备 J 仪表技术与传感器，2021(6):610 5 孙克，吕艳，张东旭SOI 压力传感器及其应用 J 仪表技术与传感器，2009(S1):398400;405 6 王凡，刘宝伟，陈宝成，等应力隔离法在蓝宝石压力传感器结构设计中的应用 J 传感器与微系统，2018，37(7):158160 7 李鑫，梁庭，赵丹，等SOI 高温压阻式压力传感器的设计与制备 J 微纳电子技术，2018，55(6):408414 8 姚东媛，谢胜秋，王俊巍，等宽温区工作压力传感器热力学研究 J 传感器与微系统，2017，36(6):2831 9 TAN M MDevelopment and calibration of high temperaturepressure sensorC/Science and Engineering esearchCenterProceedings of 2016 International Conference on Arti-ficial Intelligence:Techniques and Applications(AITA2016)，2016:339342 10 李旺旺，梁庭，张迪雅，等SOI 压阻式压力传感器敏感结构的优化设计 J 仪表技术与传感器，2016，(6):1518 11TIAN B，LIU H，YANG N，et alNote:High temperaturepressure sensor for petroleum well based on silicon over in-sulatorJ eview of Entific 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qqcom吴胜华(1977)，高级工程师，硕士，主要研究方向为集散控制系统。E-mail:shenghua-wu sac-chinacom