1、（2011届）毕业设计题目RS485总线集线器设计姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称2011年5月20日IRS485总线集线器设计摘要RS485总线是工业上常用的串行通信方式。它具有传输距离远，硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，使它在工业工程中得到广泛的应用。但随着社会的发展，系统变得越来越大，由此出现了许多问题，特别是系统会变得不稳定。本文介绍了一种RS485总线集线器的电路设计，它将一路485总线扩展成多路总线。它具有信号中继、信号隔离、终端数量扩展、拓扑结构扩充等方面的功能，可以弥补RS485总线在实际应用中的不足。本文分为六个章节。通过对RS485总线原理的认识后，采用
2、一种纯硬件的设计方案进行设计，最后把做好的实物进行测试，得出结论。本文的重点为介绍485集线器的设计，整个传输过程无需单片机的控制。测试表明，本文设计的集线器可以正常运行。关键词RS485总线，485集线器，485中继器IIDESIGNOFRS485HUBABSTRACTTHERS485BUSISASERIALCOMMUNICATIONTHATCOMMONLYUSEDININDUSTRIALITISWIDELYININDUSTRIALENGINEERINGAPPLICATIONSBECAUSEOFITSDISTANCETRANSMISSION,SIMPLEINHARDWAREDESIGN,CO
3、NVENIENTCONTROL,ANDLOWERCOSTBUTTHEREHAVEMANYPROBLEMS,ESPECIALLYTHESYSTEMWILLBECOMEUNSTABLEWITHTHESOCIALDEVELOPMENTSYSTEMSAREBECOMINGCOMPLEXTHISPAPER,ARS485HUBCIRCUITSISINTRODUCED,ITEXPENDSONERS485BUSTOMULTICHANNELBUSESITCANREPEATSIGNALS,ISOLATESIGNALS,EXPANDNUMBEROFTERMINATORSANDTOPOLOGIESETCTHISCOU
4、LDMAKEUPTHELACKOFPRACTICALAPPLICATIONOFRS485BUSTHISPAPERISDIVIDEDINTOSIXCHAPTERSUSINGAPUREHARDWAREDESIGNBYHAVETHEKNOWLEDGEOF485BUSFINALLY,TESTTHEKINDANDHAVEACONCLUSIONTHEFOCUSOFTHISPAPERISINTRODUCEDTHEDESIGNOFTHE485HUBALLTHEWORKHAVENOMICROCONTROLLERSTESTSHOWSTHE485HUBCANRUNKEYWORDSRS485BUS，485HUB,48
5、5REPEATERIII目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题的来源112论文的意义和主要内容1121论文的意义1122论文的主要内容32方案论述与方案选择421国内外485集线器的现状422方案论述4221采用纯硬件方式4222采用单片机方式423方案选择53RS485总线原理及485芯片631RS485总线原理6311串行通信6312RS485总线原理732485芯片933RS485转换器104RS485集线器的设计1241RS485集线器整体电路设计1242电源模块的设计15421电源芯片7805简介15422电源模块的设计1543接口部分设计16431终端匹配问题16432电压
6、偏置16433总线传输端的稳压保护1743中继器与自动转发设计1744集线器工作原理1945时序图分析215原理图和PCB的绘制2451PROTEL原理图设计流程2452PROTELPCB设计流程24IV53本文设计的PCB24结论26参考文献27致谢错误未定义书签。附录28RS485HUBDDBRS485集线器的PROTEL图（包括原理图和PCB图）28RS485总线集线器设计11绪论11课题的来源在工业控制中，最常见的串行通信方式为RS485总线的方法。RS485的特性决定了它在工业控制中的特殊地位。因为RS485是基于差分信号传送的串行通信协议，使得它的抗干扰能力强。另外，它的传输距离远
7、，硬件设计简单、控制方便、成本低廉的优点，使它在消防、水文、水利自动报测、楼宇控制等工程中被广泛使用。它的使用在我国的意义更大，因为RS485很早就引入我国，是个成熟的技术，经过多年的发展，已经应用于很多领域。虽然RS485总线技术成熟，应用广泛，但它存在自适应、自保护功能脆弱、通信效率低等缺点，如不注意一些细节的处理常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，这样的问题往往是非常致命的。所以RS485总线的可靠性设计，对于一个485网络来说是非常重要的。本文介绍了一个硬件方式的RS485总线集线器设计。在RS485总线网络中使用485集线器是解决现在系统过于庞大和复杂的有效途径。对提高系统的稳定性具有
8、重要的意义。12论文的意义和主要内容121论文的意义一、RS485总线传输的局限在远程有线数字通信领域，使用RS485总线传输数字信号非常普遍。因为RS485是一种基于差分信号传送的串行通信协议，因而其抗干扰能力强、传输距离远，在视频监控、工业控制等领域使用广泛1。但是，在实际工程应用中如果没有RS485总线集线器，会使RS485总线的使用存在很大的局限性，这表现在传输距离、终端之间的相互影响、总线的负载能力、总线的拓扑结构等方面3。下面将具体说明（1）传输距离的限制。理论上，当总线传输速率低于100KB/S时RS485的有效传输距离可以达到1200M2。但在工程应用中实际传输距离远远达不到这
9、个标准，即使信号可以传输到这个距离，但波形也会产生失真，信号会出现漏码、误码的现象，导致接收到的信号不可靠。总线的传输距离与多方面的因素有关，包括传输导线双绞线的密度、线间电容、导线的粗细、总线上负载的数量、发送信号的幅度和传输波特率等因素。因此在长距离传输时应当加装RS485中继器，其作用是在信号尚未衰减失真之前，将信号正确接收后然后转发出去，达到使总线毕业设计2传输距离增加一倍的效果。（2）终端之间的相互影响。RS485协议规定，所有的RS485终端设备，无论发送器还是接收器都应当并行地挂接在总线上。如果某个终端的收发器出现损坏，导致数据线A、B端之间发生短路，那么总线上的所有终端将无法进
10、行通信。因此在多终端的情况下，终端之间要求分段隔离，互不影响。这样，提高了总线的稳定性，减少了故障的发生。（3）终端数量的扩展。RS485驱动器的驱动能力是有限的。当总线上挂接的终端过多、负载过重以至于传输的信号幅度降低到200MV以下时，接收器将无法正确识别信号。（4）RS485总线拓扑结构。RS485协议采用线性总线结构作为网络拓扑，终端支线的长度不应超过2M。然而，在实际情况中可能会发生终端所处位置非常分散的情况，如果使用线性拓扑进行连接的话，连接线将变得很长，使得工程应用中有些终端的支线长度远远超过2M。且支线上还可能挂接有多个终端，网络拓扑并非严格的线性总线结构，而是呈现出星形或者线
11、性与星形相结合情况。这就造成了传输线阻抗不连续，信号传输时会出现反射现象，从而影响信号的正确传输。二、使用485集线器的意义本文将设计一个RS485集线器，它可以有效的解决以上出现的几个问题。RS485集线器的作用是将一路485信号分为多路输出。RS485集线器的设计和功能可以使它一机多用，它既可以作为延长通信距离的RS485中继器，也可以作为信号隔离器，又可以作为终端数量扩展器，还可以使RS485网络拓扑成星型结构以满足建网需求。图11是RS485集线器应用的示意图。图中各终端设备即可以是PC机，也可以是单片机系统。文中将图中左边的RS485信号源称为主机（上位机），右边部分称为从机（下位机
12、）。RS485总线集线器设计3RS485收发器RS485收发器RS485收发器RS485收发器RS485收发器RS485RS485信号源图11RS485集线器应用122论文的主要内容论文主要内容分五部分，重点介绍了RS485集线器的硬件实现方式。设计中以PROTEL99SE作为设计工具，包括原理图设计和PCB设计。第一部分为方案论述和方案选择。包括485集线器的现状等相关内容。论文方案选择的依据及目的。第二部分是RS485总线的原理和论文中所用到的芯片介绍。其中介绍了485芯片的参数和工作原理。485芯片在本设计中将使用到。第三部分为RS485集线器的硬件设计。包括总体设计，电源设计，接口部分
13、，以及485中继器的原理和485集线器的原理。此为本论文的重点部分。第四部分为原理图和PCB绘制流程。合理的PCB设计是保证485集线器稳定运行的保障。第五部分是总结部分。将测试结果做了总结。毕业设计42方案论述与方案选择21国内外485集线器的现状485集线器在国内外应用普遍，研究成果很多。其技术、方法各异，所达到的目标和要求也有所不同。国外起步较早，某些地区在此领域己制订了相关行业标准，技术也较先进，并不断地开发新技术。485技术在80年代开始进入我国。RS485标准通常作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS485电路具有控制方
14、便、成本低廉等优点。RS485标准作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国的自动化监控、安全防护、门禁考勤及工业自动化系统中得到迅速普及和应用。目前，我国的485集线器应用已比较普遍，现有的485集线器的生产厂商很多。485集线器大都提供星型RS485总线。各端均具有短路、开路保护。用户可以轻易的改善RS485总线结构，分割网段，提高通信可靠性。当雷击或者设备故障产生时，出现问题的网段将被隔离，以确保其他网段的正常工作。大大提高了现有网络的可靠性，有效缩短了网络的维护时间。22方案论述RS485集线器一般采用单片机或纯硬件两种技术实现。先将两种
15、方案论述如下。221采用纯硬件方式采用纯硬件的方式其原理是利用485芯片的特性，进行合理的设计，达到数据分配的目的。空闲时，各个485芯片处于接收状态，当有信号传递时，分为上行和下行两种信号传递方式。两种传递方式自动区分和转换，为数据自动分配的集线器。此方案技术原理简单，易于实现，成本低廉，适合对通讯要求较低的场合。优点原理简单易懂、成本较低、功耗低、易于使用缺点可靠性低、功能少、稳定性较低222采用单片机方式单片机方式利用单片机外部中断来检测485通信的起始位，控制芯片的收RS485总线集线器设计5发状态，从而将数据进行收发，实现集线功能；其工作原理与纯硬件方式的基本一致，只是用单片机来检测
16、和控制数据的收发方向，可保证总线的高速畅通。采用单片机的方式不仅仅只有一种设计方案，也可以采用把数据先接收下来然后再发送出去的方案。方案一般会用到一个主单片机和若干从单片机，主单片机使用串行口将总线上的一帧数据接收下来，通过并行通信传送给多个从单片机，从单片机再将该帧数据通过串行口发送到扩展的RS485总线上。这样每扩展一路总线就需要一个从单片机。合理的程序和硬件，可以达到数据的智能传送，以便应用于更复杂的通讯。按其控制方法，可以有效的隔离故障线路，大大提高了数据通信的质量和系统的我稳定性。但它的成本和功耗一般比纯硬件的方案要高，对设计人员的技术要求也要高。优点功能强大、稳定性高、使用方便、故
17、障自动隔离缺点成本较高、功耗高、设计较复杂、可能出现软件问题23方案选择以上两种方案各有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。对于以上方案，应该说是各有优势，并不能对比否决某种技术方案。论文方案的选择在有限的资源和能力下，仅仅是特定条件下的技术应用。RS485集线器的作用是将一路RS485总线扩展成多路输入输出总线。一个RS485集线器，其常见的设计是第一种方案。在有软件的情况下，可以说采用第二种方案更智能，设计也更加复杂多样，使它满足不同的目的。但相比于纯硬件的方案，它需要更多的资源，功耗相对较高，对设计的人
18、员要求也又所提升。综上所述，本文选择了一个相对适合自己，又能完成基本功能的纯硬件方案。文中的RS485集线器无需单片机的控制，全部转换依靠硬件电路自动完成。这样，对单片机方案而言，即节省了硬件资源，又可以避免软件出错。设计可以成功解决使用RS485组网的大部分问题。毕业设计63RS485总线原理及485芯片31RS485总线原理311串行通信串行接口是一种可以将接受来自PC机的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给PC机的器件。一、RS232、RS422和RS485标准的演变串行接口按电气标准及协议来分，主要包括RS232C、RS422、R
19、S485。RS232C、RS422与RS485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议5。RS232是由电子工业协会（EIA）制定的最早的串行接口。它是PC机和通信工业中最常见、应用最为广泛的一种接口。在PC机中就是我们通常说的COM1和COM2口。该标准由于合理安排了接口的电气信号和机械要求，又是最早成为标准的，使得它在世界范围内得到了广泛的应用。但它采用单端驱动非差分接收电路，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误另外，RS232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15米。由于存在着传输距离不
20、太远最大传输距离15M和传送速率不太高最大位速率为20KBPS的问题6。远距离串行通信必须使用MODEM，这无疑增加了成本。基于RS232的这些问题，电子工业协会又制定了RS422标准。RS422标准规定采用平衡驱动差分接收电路，提高了数据传输速率最大位速率为10MBPS，增加了传输距离最大传输距离1200M。RS485是在RS422基础上的升级版本。它满足422的所有要求，而且比422稳定性更强。RS485是双向、半双工通信协议，符合真正多点通信网络要求，并且它规定在一条单总线2线上支持32个驱动器和32个接收器。有些RS485收发器修改输入阻抗以便允许将多达8倍以上的节点数连接到相同总线6
21、。由于性能优异、结构简单、组网容易，多站互连时可节省信号线，便于高速、远距离传送，RS485总线标准得到了越来越广泛的应用。RS232、RS422、RS485通讯方式的最主要的区别是RS422和RS485都采用平衡驱动和差分输入的方式，有效的消除了共模干扰，并且RS485有更宽的共模输入范围；能实现一点对多点的通信传输距离远，传输速率快。其区别如表31所示。RS485总线集线器设计7RS232RS422RS485工作方式单端差分差分节点数1收1发1收10发1收32发最大传输电缆长度50英尺4000英尺4000英尺最大传输速率20KBPS10MBPS10MBPS最大驱动输出电压/25V025V6
22、V712V发送器输出信号电平/5V/15V/20V/15V表31RS232、RS422、RS485的区别二、串行通信协议串行通信的概念非常简单，串口按位（BIT）发送和接收字节。尽管比按字节（BYTE）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信4。串行通信每次传输的数据为一个帧。按照RS485的总线形式，通信协议为数据位7B停止位1B校验位奇校验（EVEN）串行异步传输字节帧格式如图31。DO校验位起始位D1D2D3D4D5D6停止位图31串行通信字节帧格式起始状态是在起始位确定的。串行通信在空闲时为高电平。当检测到一段低电平时开始进
23、行数据。它的空闲状态和起始状态的确定在下文中将要做具体的分析。312RS485总线原理一、RS485网络毕业设计8RS485串行接口的电气标准是RS422的变型，它属于七层051OSI，开放系统互连模型物理层的协议标准。模型采用分层结构，共分七层，可将所有的网络服务所需的功能包括在其中。编制RS485网络协议不需要严格遵照，其大致对应关系如表32。OSIRS485网络应用层应用程序高层协议表示层会话层传输层网络层数据链路层串行通信基础协议物理层RS485总线与接口表32RS485与ISO参考模型对应关系RS485性能优异，结构简单，组网容易，可组建经济实用型工业局域网。RS485总线的优异性能
24、使它得到了越来越广泛的应用。RS485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以L0MBPS速率传输数据时传输距离可达12M，而用100KBPS时传输距离可达12KM。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外RS485实现了多点互连，非常便于多器件的连接，极大地增加了系统的灵活性8。二、RS485特性RS485是一种支持多节点、远距离和接收高灵
25、敏度的总线。RS485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器标准。RS485是在工业领域广泛应用的ISO/OSI模型物理层标准协议之一8。（1）机械特性。采用RS232/RS485连接器将PC串口RS232信号转换成RS485信号，或接入TTL/RS485转换器将I/O接口芯片TTL电平信号转换成RS485信号，进行远距离高速双向串行通（2）电气特性。二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有RS485总线集线器设计9效克服共模干扰、抑制线路噪声，传输距离可达12KM，最高数据传输速率可达10MBIT/S。（3）功能与规程特性。网络媒体采用双绞线、同轴电缆或光纤，安装简易，电缆数量
26、、连接器、中继器、滤波器使用数量较少每个中继器可延长线路12KM，网络成本低廉。（4）驱动能力强。在节点数为32个，配置了12OQ的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压15V。三、RS485接口标准RS485采用半双工模式，它的接口标准如下传输方式差分传输介质双绞线标准节点数32最远通信距离1200M共模电压最大、最小值12V；7V差分输入范围7V12V接收器输入灵敏度200MV接收器输入阻抗12K32485芯片RS485串行总路线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共摸干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备7。利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总路线驱动器，如
27、MAX3085，可组合成简单的RS485通信网络。本设计将采用MAX3085作为485芯片。总线驱动器MAX3085芯片有一个发送器和一个接收器，适合作为RS485总线驱动芯片。MAX3085引脚如图32。其中A、B、R、D各端为输入输出端，RE/DE端为控制端。控制端控制芯片处于发送或接收状态。图32MAX3085芯片引脚图当DE为低高电平时，芯片处于发送状态，如表33。此时输入端为D端，输出端为A、B端。当输入D为高电平时，输出A为高电平、B为低电平，之差毕业设计10大于0。反之输入D为高电平时，输出A为低电平、B为高电平，之差小于0。当RE端为低电平时，芯片处于接收状态，如表34。此时的
28、输入端为A、B端，输出端为R端。当输入A、B之差大于02V时，输出R为高电平。反之，当输入端A、B之差小于02V时，输出R为低电平。当A、B差在两者之间时，R为确定。基于以上所述，RE、DE端一般一起控制，发送状态和接收状态不发生共存。本文的设计是在485芯片的基础上进行的。后文将对其进行设计。输入D使能DE输出ABHHHLLHLHXLZZ表33485发送器真值表差分输入使能RE输入RABVIN02VLH02VVIN02VLXVIN02VLLXHZ开路LH表34485接收器真值表33RS485转换器在485总线系统当中，通常系统最终的数据要最终传输到电脑当中或由计算机对设备进行监控。而电计算机
29、的COM1、COM2接口都是RS232接口，而设备一般是TTL电平，因此两者之间通信电平需要转换。另外在比较复杂的控制RS485总线集线器设计11和数据采集系统中，可以通过RS232进行通信，但是这样最多不超过十几米，因此在远距离通信中采用RS485标准，即采用RS232/RS485转换器，可以大大提高通信距离。这是由RS485总线的特性所实现的，485的一般进行远距离通信，解决了232通信距离不够长的问题。所以232转485转换器就成为485总线系统的标准配置。一般而言，一个基于RS485的通信网络，先要通过PC机的232接口，经RS232/RS485转换器后才进入485网络，利用485网络
30、是为了弥补232通信的不足。所以232转485转换器就成为485总线系统的标准配置。232转485转换器从性能上可以分为如下几种无源型485转换器，有源型485转换器，防雷型485转换器，光隔离型485转换器，防雷光隔离型485转换器。毕业设计124RS485集线器的设计41RS485集线器整体电路设计基于485芯片的特性，本文设计了一个RS485集线器。它利用主485芯片把上位机总线上的差分信号转换成TTL电平，然后以广播方式分配给其它各支路的从485芯片，由从芯片再转换为差分信号发送到各分支总线上9。这是上位机向下位机下行传递时候的传输原理。数据上行时，即下位机向上位机发送信号时的原理同上
31、。此集线器方案有一个主机和四个从机接口，但各接口地位是不对等的。主机可以向任意从机发送和接收数据，而从机只能与主机进行数据的交互，从机之间不能直接互相发送数据。如果从机之间有数据交互的需要，也必须经过主机，再传送给需要的从机上。图41是四路集线器的应用方案，图的左侧接RS485总线上位机，右侧接各分支下位机。由图1可以看出，RS485集线器起到了中继器延长距离和扩充终端数量的作用。对于四路集线器，它的四个分支总线可以分别按串行方式布线，相当于把原来的一组总线按星型方式分成了四组，解决了布线的局限性。另外，当其中一个节点故障导致总线短路时，只会影响到它所在的一组分支总线，而不会影响到其它三组。图
32、41集线器应用原理RS485总线集线器的整体电路的PROTEL原理图如图42所示。主体部分RS485总线集线器设计13是RS485集线器的原理，另一部分为电源部分。我们用三个LED指示灯来表示RS485集线器的工作状态。一个LED表示电源正常工作，另两个分别表示集线器工作在数据的左传和右传状态。毕业设计14123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE27MAY2011SHEETOFFILEI嘉科实习485RS485HUBDDBDRAWNBYRO1RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8U1MAX3085RO1RE2DE3DI4GND5A6B
33、7VCC8U2MAX3085RO1RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8U3MAX3085RO1RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8U4MAX3085RO1RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8U5MAX3085R151KR2120R351KR451KR5120R651KR751KR8120R951KR1051KR11120R1251KR1351KR14120R1551K5V5V5V5V5V5V5V5V5V5V1AIN12AIN91BIN22BIN101CIN42CIN121DIN52DIN131YOUT62YOUT8NC3NC11VCC14GND7U674HC20R1710KR
34、1610K5V12J2485212J3485312J4485412J548555V3VIN1GND2J67805C122UF/50VC222UF/50V5V12J7POWER12J14851C301UFC401UFC501UFC601UFC701UFC801UFD2P6KE15AD1P6KE15AD3P6KE15AD4P6KE15AD5P6KE15AD6P6KE15AD7P6KE15AD8P6KE15AD9P6KE15AD10P6KE15AD12DOWNLED5VD11POWERLED5VD13UPLEDR181KR191KR201KRS485总线集线器设计15图42485集线器原理图42电源
35、模块的设计电源为整个系统提供能量，是个非常重要的部分。本电源设计目的为输入DC12V直流电源转换成DC5V直流输出。采用70805电源芯片进行设计。421电源芯片7805简介电子产品中常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78XX系列和负电压输出的79XX系列。三端稳压集成电路是用于稳压的电路，它只有三条引脚，分别是输入端、输出端和接地端。它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于他内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使他基本上不会损坏。在提供足够的散热片下，他能够提供大于15A的输出电流。本设计采用的7805芯片，它提供固定的输出电压为5V。在输出电流较大时，7805应配
36、上散热板。它的特点为1最大输出电流为15A2输出电压为5V3热过载保护4短路保护5输出晶体管安全工作区保护422电源模块的设计本设计中具体的电源模块设计如图43。图43电源部分外部输入为直流12V，经过7805后，输出变为直流5V，将给整个电路提供稳定电压。由于电源或多或少都会叠加一些交流的高频和低频信号，这些信号对系统来说是很不利的。电容并联接在集成电源和地上，是为了滤除那些对系统不利的交流信号。输入和输出端的22UF和01UF的滤波电容，是为了滤除没用的交流信号，使输入和输出更加稳定。D11是电源指示灯，当它点亮时，表明电源工作正常。毕业设计1643接口部分设计图44为本设计的接口部分，它
37、是与外界相连的桥梁，具体如图44所示。图44接口部分五个485接口的设计是相同的。此图为主机接口。图中，R1和R3分别为上拉和下拉电阻，大小为51K。R2为匹配电阻，大小为120欧姆。D1、D2为稳压二极管。下面将对各部分具体说明。431终端匹配问题终端匹配指的是A、B端120欧姆的匹配电阻。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120欧姆左右，所以线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端各应接1只120欧姆的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射。终端匹配将有效增加485的传输距离，在设计中很常见。在距离较短的情况下不需要增加匹配电阻，当485通信距离超过100
38、米时，要求在485的A端和B端之间增加匹配电阻。但应注意，采用120欧姆匹配电阻时，消耗的功率较大。在功耗限制严格的系统中，我们可以采用比较省电的匹配方案是RC匹配，这里就不具体介绍了。432电压偏置电压偏置指A端加上拉，B端加下拉。由于RS485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为200MV，即差分输入端VAVB200MV，输出逻辑1，VAVB200MV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200MV时，输出为不确定10。当485总线空闲时，485芯片将处于接收状态，此时A、B端电位差为不确RS485总线集线器设计17定。假设出现A、B电位差小于200MV的情况，那么接入该网络的设备将认为此
39、时有数据传送，如此将严重影响485网络的稳定性。通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R1、R3，可以很有效的解决这一问题。这样，系统在空闲时，就不会误认为有数据在传送。433总线传输端的稳压保护输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在本设计中我们采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片。将有效保护电路接口。43中继器与自动转发设计图45RS485中断器本部分介绍485中继器的工作原理及自动转发机
40、制的实现。这是进行485集线器设计的十分重要的部分。图45是依靠硬件自动切换收发状态的中继器的原理图，当不发送数据的时候，485芯片自动处于接收状态，从而允许扩展的总线支路上挂接有其它信号发送器。R1为A1线的上拉电阻，为R3的下拉电阻，R2为120欧姆的匹配电阻，U3、U4为反相器。U1接收到的数据，并非直接送往U2的DI端。而是通过反相器反向之后，毕业设计18传给U2的RE/DE控制端，通过控制485芯片的收发状态来传送数据。U1、U2的DI端接地，在允许发送时，发送低电平。自动转换收发状态的485中继器正常工作时主要有三个状态空闲状态，数据从RS485收发器U1边的总线往RS485收发器
41、U2边的总线传送数据右传状态，数据从RS485收发器U2边的总线往RS485收发器U1边的总线传送数据左传状态。（1）空闲状态当中继器上电启动运行或总线上没有数据传送时，中继器工作在空闲状态。RS485收发器U1、U2均为接收数据状态，U1、U2的EN1、EN2引脚均为低电平。U1、U2的A、B端均为高阻状态，上拉电阻、下拉电阻和匹配电阻构成的偏置电路在匹配电阻上形成表示高电平的差分信号并输出。异步串行通信中一帧数据的起始位都是逻辑0，终止位为逻辑1，相邻两帧之间的空闲时间均为逻辑1。因此这种设计可以确保在传送一帧数据后，U1、U2自动切换到接收状态，转换由硬件电路完成，无需微控制器的处理。（
42、2）数据右传状态当RS485收发器U1边检测到连接其A、B引脚总线上的差动信号有数据向右边传送时，它通过RS485收发器U1的RO引脚以RS232的方式逐位接收数据，并通过RS485收发器U2的DI引脚以RS232的方式逐位输出数据。传送顺序为先传一个低电平起始位，再传8位数据位，最后传1位高电平结束位，为一数据帧。当U1的A端出现低电平，而B端出现高电平时，中继器自动进入右传状态。此时U1的RO输出0电平，经过反向器后为1电平，EN2为1电平，即U2的控制端DI、RE为1电平，U2为发送状态。DI接地为低电平，所以U2的A端输出低电平，B端输出高电平。到此，一个数据0传送完毕。当传送数据1时
43、，U1的RO端输出1电平，反向后为0电平，EN2为0电平，U2的控制端DI、RE为0电平，即U2为接收状态，它的A、B端输出高祖状态。但由于偏置电阻的作用，将U2的A端上拉输出高电平，B端下拉输出为低电平。当传送完数据的一段帧后，异步串行通信的终止位为逻辑1，此后相连两帧之间的空闲时间均为逻辑1。所以当一帧数据传送完毕后，各RS485收发器均自动进入空闲状态。（3）数据左传状态数据左传状态的过程与数据右传状态一致。由U2发送数据，U1接收数据，具体参照数据右传状态。因为RS485通信方式为半双工状态，所以数据的左传和右传不会发生冲突。当总线上干扰较大时也有可能发生总线冲突，数据右传状态和数据左
44、传状态同时发生。此时，总线上的信号是无效的，但总线冲突并不需要中继器来处理和RS485总线集线器设计19解决，而是由通信协议来处理和防止的11。要求总线冲突结束后，RS485中继器的方向控制器总能自动恢复正常工作。44集线器工作原理本设计中，RS485集线器的原理和中继器原理相似。为了便于说明，我们用如图来解释RS485集线器的原理。图46为一个三口的485HUB。毕业设计20图46三路集线器RS485总线集线器设计21空闲状态时，各485收发器处于接收状态，A、B端表现为高祖状态，输出逻辑为1的电平，此时总线上没有任何数据传输。右传状态如中继器的右传，只是主收发器发出的信号被三个从收发器一起
45、接收了，此处不再赘述。在本设计中的右传的输入输出各时序如图所示。左传状态为三个从收发器的任意一个向主收发器发送信号。任意从收发器之间不允许互相传输数据。且在任一时刻只能是一个从机向主机发送数据。满足这样的条件下，此RS485集线器才能正常工作。这里，我们假设U2向主机发送数据0，即RO端为0电平。因为U3、U4为空闲，RO端为1电平。此三个信号经过一个三路与非门后为1电平，RE/DE控制端为1电平，即U1为发送状态。因为DI接地为低电平，U1的A端为0，B端为1，即向外发送数据0。此为数据0的发送。当发送数据1时，485收发器自动切为接收状态，向外部发送数据1。45时序图分析根据四路集线器原理
46、图42，在了解485芯片工作的情况下，对其进行了时序分析。参见图47和图48。时序分析是不可或缺的环节，只有在时序分析成功后才能确定一个设计方案的合理性。然后真正进行制版等后续工作。本文时序分析的过程中，由于资源和能力的限制，只是进行了手工的分析和绘制。图47为集线器右传时序图。主机发送，四路从机同时接收。此时U1处于接收状态，其它485芯片为发送状态。47HC20为双四输入与非门，起到反向器的作用。首先，U1收到总线上主机发送的信号，因为控制端RE/DE为低电平，U1为接收状态，RO输出TTL电平，经反向后进入其它从芯片的控制端，使从芯片在接收和发送状态下切换，再依据电路的设计，正确的输出信
47、号。此为集线器的右传过程。图48为集线器左传时序图。任意一个从机发送信号，主机进行接收，其它从机为空闲状态。其传送过程与右传相似，具体参照上文。其时序图表明，结果与设计初衷相同，并能满足集线器的基本要求。然后可以进行制版等后续工序毕业设计22图47集线器右传时序图RS485总线集线器设计23图48集线器左传时序图毕业设计245原理图和PCB的绘制在本文中原理图和PCB图的设计采用了PROTEL99SE软件。这是制作实物两个必要的过程。一般的做法是先画好所用的原件，再在原理图上进行设计、分析及连线，然后在封装好的基础上，再进行PCB图设计，最后就可以发到工厂进行制版了。具体做法就不作介绍了。针对
48、PROTEL99SE，这里，简单的介绍下其流程。51PROTEL原理图设计流程1新建原理图文档；2设置原理图模板（使用公司标准模板）；3设定GRIDS（SNAP和VISIB）和ELECTRICALGRID，建议都为10；4输入原理图，在器件的“PARTFIELDS”中标注详细的器件型号（能根据本型号信息直接进行采购）；5器件位号标注；6输入图号等信息；7创建网络表。52PROTELPCB设计流程1将网络表导入PCB文件；2确定PCB的设计规则间隙大小、银条宽度、过孔大小、地的连接方式等；3根据结构要求，确定PCB的外形、固定孔、接插件位置、有特殊要求的器件位置等；4确定其他器件的位置；5手工或
49、自动布线，手工布线时建议隐去丝印层；6布线避免产生直角和锐角；7布线完成，建议进行单层布线检查；8焊盘加泪滴焊盘9位号位置调整；10加PCB名称、版本、日期和图号等。53本文设计的PCB图51是实际设计制版的PCB图，布局和排版与实物相对应。此外，还进行了地线覆铜，它提高了电源的效率，减少了高频干扰，美观性也有所提高。电RS485总线集线器设计25源线也做了加粗工作，保障了使用的寿命和可靠。图51未覆铜的PCB图毕业设计26结论在时间有限的情况下，我和导师对设计出来的进行了了测试。由于我不是这部分的主要参与者，其检测的具体方法无法做详细介绍。现将结论和观测的现象作一阐述。首先，把集线器接上电源，发现POWERLED灯被点亮了，表明电源可以正常工作。然后在主接口接入信号源，从机接口也接一路。然后主机发送信号，发现DOWNLED灯被点亮了，说明正在进行下行通信，并且电脑显示从机收到了数据。主机接收，从机发送信号时，发现UPLED灯被点亮了，说明正在进行上行通信，电脑显示主机收到了信号。实验表明，RS485集线器可以正常使用。由于这是实验室中的一个简单测试，没有在实际情况下使用。其传送距离等性能和功耗方面，没有得到相应的结论。本文设计的这个纯硬件的RS485集线器的设计，可以在无单片机的情况下自动进行无延时转发。理论上兼具信号中继、信号隔离、终端
