關(guān)鍵詞：485 通信；電氣設(shè)備；變頻器；通信板

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

光纖485通信控制系統(tǒng)是一種基于光纖通信技術(shù)和485 通信協(xié)議的控制系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制[2]。目前，很多變頻器、可編程控制器等設(shè)備都帶有推薦標(biāo)準(zhǔn)（recommended standard，RS）485 接口[3]。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)有設(shè)備需進(jìn)行自動(dòng)化和智能化升級(jí)以適應(yīng)智能生產(chǎn)。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，由于干擾強(qiáng)度大，信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性難以保證。盡管RS485 接口采用差分信號(hào)傳輸技術(shù)以降低干擾影響，但在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信中仍存在一定的局限性。為了有效克服這一問(wèn)題，可以采用光纖通信技術(shù)，該技術(shù)憑借其高數(shù)據(jù)傳輸容量以及對(duì)電磁干擾的高度免疫特性，已成為解決通信干擾的關(guān)鍵策略。鑒于多數(shù)設(shè)備配備RS485 接口，將RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖傳輸信號(hào)，不僅顯著提升了變頻器在極端環(huán)境下的多種能力，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這種轉(zhuǎn)換技術(shù)有效地提高了信號(hào)的抗干擾能力和傳輸距離，使得變頻器等電氣設(shè)備能夠在高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾等惡劣條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)，這款通信板具有重要的實(shí)際意義。其不僅為變頻器等電氣設(shè)備提供了強(qiáng)大的通信支持，也進(jìn)一步推動(dòng)了RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展，為工程實(shí)踐中的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法，以提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性。

1 變頻器及485光纖通信板介紹

1.1 變頻器運(yùn)行結(jié)構(gòu)

圖1為運(yùn)行變頻器的結(jié)構(gòu)框圖，其揭示了光纖通信板在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離雙向通信中的關(guān)鍵作用。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，變頻器是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備，而主機(jī)與從機(jī)之間的通信是實(shí)現(xiàn)精確控制的前提。然而，傳統(tǒng)的電氣信號(hào)傳輸方式在長(zhǎng)距離通信中面臨信號(hào)衰減和干擾等問(wèn)題，這限制了變頻器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和性能。

為了克服這些問(wèn)題，應(yīng)用了光纖通信板。在主機(jī)側(cè)，RS485 差分信號(hào)先通過(guò)485 收發(fā)電路被轉(zhuǎn)換為晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistorlogic，TTL）電平信號(hào)，這些電平信號(hào)再通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為光纖信號(hào)。光纖信號(hào)通過(guò)光纖介質(zhì)進(jìn)行傳輸，由于光纖具有極低的信號(hào)衰減和出色的抗電磁干擾能力，因此可以在不損失信號(hào)質(zhì)量的情況下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。在從機(jī)側(cè)，接收的光纖信號(hào)再次通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換電路被還原為T(mén)TL 電平信號(hào)，這些電平信號(hào)通過(guò)485 收發(fā)電路轉(zhuǎn)換回RS485 差分信號(hào)，供變頻器從機(jī)使用。該方案可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)光纖通信板進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的雙向通信。

通過(guò)這種方式，光纖通信板不僅確保了信息的高效傳遞，還提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸距離，從而提升了變頻器系統(tǒng)的整體性能。這種光電信息轉(zhuǎn)換技術(shù)的成功應(yīng)用，為工業(yè)控制系統(tǒng)提供了更加靈活和高效的通信手段，有助于推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的進(jìn)一步發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，光纖通信板在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用將更加普遍，從而為各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供強(qiáng)大的通信支持。

1.2 光纖通信板工作原理

圖2展示了光纖通信板的結(jié)構(gòu)，包括供電電路、485收發(fā)電路和光纖轉(zhuǎn)換電路。該通信板在光纖通信系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，它將RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL 電平信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為光纖信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，并逆向還原接收的光纖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的通信。

供電電路是光纖通信板的重要組成部分。它為整個(gè)通信板提供穩(wěn)定的電源，并隔離電源與通信信號(hào)，從而避免電源干擾對(duì)通信信號(hào)的影響。供電電路的設(shè)計(jì)可以提高通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

485收發(fā)電路是光纖通信板的另一個(gè)關(guān)鍵部分。它負(fù)責(zé)接收和發(fā)送RS485 差分信號(hào)。RS485是一種常用于工業(yè)通信的串行通信協(xié)議，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。485 收發(fā)電路將接收到的RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL 電平信號(hào)，或?qū)TL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485 差分信號(hào)發(fā)送出去。

光纖轉(zhuǎn)換電路是光纖通信板的核心部分。它將TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)發(fā)送，并逆向還原接收的光纖信號(hào)。光纖通信具有高速、大帶寬、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此其在長(zhǎng)距離通信和高速數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。光纖轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)光纖信號(hào)與TTL 電平信號(hào)之間的有效轉(zhuǎn)換，確保通信的可靠性和穩(wěn)定性。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)光纖通信板需充分考慮在惡劣電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信的需求，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)考慮電氣隔離、抗干擾、低功耗等特點(diǎn)，并且需要設(shè)計(jì)隔離供電以保證供電的穩(wěn)定性，最重要的是光纖通信板需實(shí)現(xiàn)RS485 與光纖信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

本文供電芯片選擇了LM2576R-ADJ，LM2576R是一種具有調(diào)節(jié)功能的降壓型直流轉(zhuǎn)直流（DCDC）芯片，適用于各種電子設(shè)備。它是由得州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一款集成電路芯片，具有較高的電源轉(zhuǎn)換效率，可以將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，同時(shí)減少能量損耗，芯片的電路能夠有效隔離電源與通信線路，減少干擾，提高通信穩(wěn)定性。圖3 為供電電路，該電路包括輸入和輸出濾波以及隔離電源，將芯片的輸入引腳（VIN）接到高電壓源上，再將輸出引腳（VOUT）連接到需要穩(wěn)定電壓的電路上，同時(shí)連接電容和電感。通過(guò)調(diào)整反饋引腳（FB）的電壓來(lái)調(diào)整輸出電壓，輸出電壓與反饋引腳上的電壓成反比，從而將9 ～ 36 V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V 隔離輸出電壓，以提升系統(tǒng)性能、增加設(shè)備安全。

2.2 485收發(fā)電路和自使能電路設(shè)計(jì)

圖4 中的SCIR 引腳負(fù)責(zé)接收信號(hào)、SCIT 引腳負(fù)責(zé)發(fā)出信號(hào)、RTS 引腳負(fù)責(zé)請(qǐng)求發(fā)送。485 收發(fā)電路和自使能電路設(shè)計(jì)包含3 個(gè)主要部分：自使能模塊、485 收發(fā)器和保護(hù)濾波單元，其能夠有效實(shí)現(xiàn)485 收發(fā)電路與自使能功能的集成。自使能模塊負(fù)責(zé)控制電路的激活與休眠，可以降低能耗。485收發(fā)器則是電路的核心，負(fù)責(zé)將差分信號(hào)與TTL電平信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。保護(hù)濾波單元?jiǎng)t起到了保護(hù)電路的作用。該設(shè)計(jì)既考慮了電路的功能性，又注重了電路的可靠性和抗干擾能力。其中，二極管用于防過(guò)壓，三極管作為開(kāi)關(guān)來(lái)控制信號(hào)傳輸。485 總線通過(guò)精心設(shè)計(jì)的濾波和保護(hù)電路，將信號(hào)傳輸至通信芯片。這些電路有助于消除噪聲和干擾，確保信號(hào)的清晰度和完整性。

3 電路工作過(guò)程分析

485總線下的各個(gè)從屬裝置均需要具有自身的特殊網(wǎng)址，主機(jī)經(jīng)過(guò)從機(jī)地址完成識(shí)別和通信[4]，圖4 詳細(xì)展示了光纖通信板的工作原理，通過(guò)使用光信號(hào)進(jìn)行主機(jī)與從機(jī)間的信息傳輸。首先，主機(jī)發(fā)出通信命令，之后將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。其次，驅(qū)動(dòng)芯片SN75451B 和光纖發(fā)送器HFBR-1521 將這些電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并且通過(guò)光纖發(fā)送至另一塊光纖通信板。在接收板上，收發(fā)器U3 將光信號(hào)還原為電平信號(hào)，并輸出差分信號(hào)至從機(jī)。從機(jī)接收到信號(hào)后進(jìn)行響應(yīng)，并將反饋信號(hào)傳回主機(jī)，從而完成了整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)程通信過(guò)程。這種通信方式不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，還具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的傳輸速率，適用于遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境下的通信需求。這種轉(zhuǎn)換技術(shù)使得信號(hào)能夠在長(zhǎng)距離和干擾較強(qiáng)環(huán)境中穩(wěn)定傳輸，從而保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制能力的增強(qiáng)，使得操作人員能夠在安全距離內(nèi)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，減少了現(xiàn)場(chǎng)人員的需求，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)示波器分別檢測(cè)光纖通信板的原始波形，包括：①收發(fā)器在接收到差分信號(hào)后，通過(guò)內(nèi)部的信號(hào)處理，將其轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)TTL 電平信號(hào)形式；②收發(fā)器是否處于激活狀態(tài)的信號(hào)波形；③在光纖通信板接收端，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)后，通過(guò)收發(fā)器處理輸出的TTL 電平信號(hào)。在沒(méi)有通信時(shí)，自使能信號(hào)保持低電平，接收信號(hào)為高電平，發(fā)送端處于高阻狀態(tài)。通過(guò)觀察工作狀態(tài)下的正常工作波形，結(jié)果顯示正確脈沖，設(shè)計(jì)的光纖通信板實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

通過(guò)示波器檢測(cè)光纖通信板數(shù)據(jù)波形圖。當(dāng)485收發(fā)器的使能端處于低電平狀態(tài)時(shí)，該收發(fā)器便啟動(dòng)工作，開(kāi)始接收上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)。這些接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，被轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)，并通過(guò)收發(fā)器的1 腳輸出，最終傳輸至從機(jī)。這種信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程是光纖通信板能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。

結(jié)果顯示正確脈沖，主機(jī)已經(jīng)成功接收到變頻器返回的信號(hào)，這對(duì)于確保通信的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種光纖通信板，用于替代傳統(tǒng)雙絞線，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮保持硬件的簡(jiǎn)潔性，在不增加額外硬件負(fù)擔(dān)的前提下，實(shí)現(xiàn)光纖與RS485 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)設(shè)計(jì)的電路，本文成功地將RS485 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)，并且在接收端將光纖信號(hào)還原為RS485 差分信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其穩(wěn)定性和抗干擾能力。光纖通信板的供電電路也是設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，其具有良好的隔離和保護(hù)能力，使得光纖通信板能夠在各種電源環(huán)境下穩(wěn)定工作，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性。這種供電電路的設(shè)計(jì)不僅適用于RS485 通信設(shè)備，還可以根據(jù)需求輕松地?cái)U(kuò)展支持RS232 和RS422 信號(hào)的長(zhǎng)距離通信，具有顯著的實(shí)用性和推廣價(jià)值。