一种RS485芯片隔离电路和RS485芯片的制作方法

本实用新型涉及电子领域，尤其涉及一种RS485芯片隔离电路和RS485芯片。

背景技术：

随着现代工业自动化程度的迅速发展，串行通信方式作为数据交换的手段被广泛采用。由美国电子工业协会(英文全程：Electronic Industries Association，简称：EIS)制定并发布的RS485接口标准已成为工业应用中数据传输的首选标准。

RS485接口标准是一种电气接口规范，其规范了发送器和接收器的电气特性。RS485接口标准采用平衡式发送、差分接收的数据收发器来驱动总线，具有传输线成本低、抗共模干扰能力强、传输速度快、传输距离远的特点，因此广泛应用于工艺控制等方面。实际应用时，由于信号传输线距离较长，特别是传输线附近有大型动力设备运行或频繁启动/停止时，在传输线上会产生较强的共模干扰。系统被干扰会发生数据采集误差加大，控制状态失效、数据发生畸变、程序运行失控等情况。采用光电隔离的方式是抑制共模干扰的主要方式之一。现有技术中采用三个光电耦合器来实现RS485芯片与系统的隔离，其中，一个光电耦合器连接于RS485芯片的RO管脚与系统之间，用于隔离RS485芯片的RO管脚，另一个光电耦合器连接于RS485芯片的RE、DE管脚与系统之间，用于隔离RS485芯片的RE管脚和DE管脚，再一个光电耦合器连接于RS485芯片的DI管脚与系统之间，用于隔离RS485芯片的DI管脚。然而现有技术中的RS485芯片隔离电路采用的光电耦合器数量较多，因此会增加硬件设计成本、增大电路面积、占用较多的芯片管脚，并且在驱动软件方面设计时需要控制RS485芯片的RE、DE管脚，因此也增加了软件设计的复杂度。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种RS485芯片隔离电路和RS485芯片，用于减小RS485芯片隔离电路中器件的数量，进而减小硬件设计成本、减小电路面积、减小占用芯片管脚数量以及降低驱动软件设计的复杂度。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种RS485芯片隔离电路，包括：第一隔离单元、第二隔离单元以及隔离电阻；

所述第一隔离单元连接信号输出端、第一电平端、第二电平端、第三电平端以及RS485芯片的接收器输出管脚，用于在所述接收器输出管脚输出高电平时在所述信号输出端输出所述第一电平端的电压，在所述接收器输出管脚输出低电平时在所述信号输出端输出所述第二电平端的电压；

所述第二隔离单元连接信号输入端、所述第一电平端、所述第三电平端、第四电平端以及所述RS485芯片的发送器使能管脚和接收器使能管脚，用于在所述信号输入端输入低电平时，向所述发送器使能管脚和所述接收器使能管脚输入所述第三电平端的电压，在所述信号输入端输入高电平时，向所述发送器使能管脚和接收器使能管脚输入所述第四电平端的电压；

所述隔离电阻的第一端连接所述第四电平端，所述隔离电阻的第二端连接所述RS485芯片的发送器输入管脚。

可选的，所述第一隔离单元包括：形成第一光电耦合器的第一光敏三极管和第一发光二极管；

所述第一光敏三极管的第一极连接信号输出端以及所述第一电平端，所述第一光敏三极管的第二极连接第二电平端，所述第一光敏三极管的栅极耦合所述第一发光二极管；

所述第一发光二级管的阳极连接所述第三电平端，所述第一发光二极管的阴极连接所述RS485芯片的接收器输出管脚。

可选的，所述第二隔离单元包括：形成第二光电耦合器的第二光敏三极管和第二发光二极管以及第一电阻；

所述第二光敏三极管的第一极连接所述第三电平端，所述第二光敏三极管的第二极连接所述RS485芯片的发送器使能管脚和接收器使能管脚，所述第二光敏三极管的栅极耦合所述第二发光二极管；

所述第二发光二极管的阳极连接所述第一电平端，所述第二发光二极管的阴极连接所述信号输入端；

所述第一电阻的第一端连接所述第二光敏三极管的第二极、所述RS485芯片的发送器使能管脚以及接收器使能管脚，所述第一电阻的第二端连接所述第四电平端。

可选的，所述第一隔离单元包括：第二电阻和第三电阻；

所述第二电阻的第一端连接所述第一电平端，所述第二电阻的第二端连接所述信号输出端以及所述第一光敏三极管的第一极；

所述第三电阻串连于所述第三电平端和所述第一发光二极管的阳极之间。

可选的，所述第二隔离单元还包括：第四电阻；

所述第四电阻串连于所述信号输入端和所述第二发光二极管的阴极之间。

可选的，所述RS485芯片隔离电路还包括：电源隔离供电单元；

所述电源隔离供电单元连接提供第一电平端的电压和第二电平端的电压的第一电源、提供第三电平端的电压和第四电平端的电压的第二电源以及第一电平端、第二电平端、第三电平端以及第四电平端，用于隔离所述第一电源与所述第二电源。

可选的，其特征在于，所述的RS485芯片隔离电路还包括：防护单元；

所述防护单元连接所述RS485芯片的第一差分信号输出管脚、所述RS485芯片的第二差分信号输出管脚、第一传输接口、第二传输接口以及所述第二电平端，用于将所述RS485芯片的第一差分信号输出管脚的电压与所述RS485芯片的第二差分信号输出管脚的电压钳制在预设范围内。

可选的，所述防护单元包括：放电管和热敏电阻；

所述放电管第一极连接所述第一传输接口，所述放电管第二极连接所述第二传输接口，所述放电管的第三级连接所述第二电平端；

所述热敏电阻串联于所述RS485芯片的第二差分信号输出管脚与所述放电管的第一极之间。

可选的，所述防护单元还包括：瞬态抑制管；

所述瞬态抑制管的第一极连接所述RS485芯片的第二差分信号输出管脚；所述瞬态抑制管的第二极连接所述RS485芯片隔离电路的第一差分信号输出管脚。

第二方面，提供一种RS485芯片，包括第一方面任一项所述的RS485芯片隔离电路。

本实用新型实施例提供的一种RS485芯片隔离电路，包括：第一隔离单元、第二隔离单元以及隔离电阻；其中，第一隔离单元能够在接收器输出管脚输出高电平时在信号输出端输出第一电平端的电压，在接收器输出管脚输出低电平时在信号输出端输出第二电平端的电压，即通过第一隔离单元可以实现信号输出端和RS485芯片的接收器输出管脚的隔离；第二隔离单元能够在信号输入端输入低电平时，向发送器使能管脚和接收器使能管脚输入第三电平端的电压，在信号输入端输入高电平时，向发送器使能管脚和接收器使能管脚输入第四电平端的电压，即通过第二隔离单元可以实现信号输入端和RS485芯片的接收器使能管脚的隔离以及信号输入端和RS485芯片的发送器使能管脚的隔离；隔离电阻的第一端连接第四电平端，隔离电阻的第二端连接RS485芯片的发送器输入管脚，因此第四电平端通过隔离电阻可以将RS485芯片的发送器输入管脚与第四电平端的电压拉齐，即通过隔离电阻可以将RS485芯片的发送器输入管脚隔离，相比于现有技术中通过三个光电耦合器来实现RS485芯片与系统的隔离，本实用新型实施例中采用第一隔离单元、第二隔离单元以及隔离电阻即可实现RS485芯片的隔离，因此本实用新型实施例可以减小RS485芯片隔离电路中器件的数量，进而减小硬件设计成本、减小电路面积、减小占用芯片管脚数量以及降低驱动软件设计的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的RS485芯片隔离电路的示意性结构图；

图2为本实用新型实施例提供的RS485芯片隔离电路的电路图之一；

图3为本实用新型实施例提供的RS485芯片隔离电路的电路图之二；

图4为本实用新型实施例提供的RS485芯片的示意性结构图；

图5为本实用新型实施例提供的RS485芯片的连接关系示意图；

图6为本实用新型实施例提供的电源隔离供电单元的示意性结构图；

图7为本实用新型实施例提供的防护单元的示意性结构图；

图8为本实用新型实施例提供的防护单元的电路图之一；

图9为本实用新型实施例提供的防护单元的电路图之二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不是在对数量和执行次序进行限定。

根据在电路中的作用本实用新型的实施例所采用的光敏三极管为开关晶体管。由于这里采用的光敏三极管的源极、漏极是对称的，所以其源极、漏极是可以互换的。在本实用新型实施例中，为区分光敏三极管除栅极之外的两极，将其中源极称为第一极，漏极称为第二极。按附图中的形态规定光敏三极管的中间端为栅极、信号输入端为源极、信号输出端为漏极。

本实用新型的实施例提供一种RS485芯片隔离电路，具体的，参照图1所示，该RS485芯片隔离电路包括：第一隔离单元11、第二隔离单元12以及隔离电阻13。

其中，第一隔离单元11连接信号输出端RX、第一电平端V1、第二电平端V2、第三电平端V3以及RS485芯片的接收器输出管脚RO，用于在接收器输出管脚RO输出高电平时在信号输出端RX输出第一电平端V1的电压，在接收器输出管脚RO输出低电平时在信号输出端RX输出第二电平端V2的电压。

因为第一隔离单元11可以在接收器输出管脚RO输出高电平时在信号输出端RX输出第一电平端V1的电压且可以在接收器输出管脚RO输出低电平时在信号输出端RX输出所述第二电平端V2的电压，所以通过设定第一电平端V1的电压值和第二电平端V2的电压值即可实现将接收器输出管脚RO输出的电压值在信号输出端RX输出，且因为信号输出端RX不直接输出接收器输出管脚RO的输出电压，所以第一隔离单元可以将RS485芯片的接收器输出管脚RO与和信号输出端RX连接的器件隔离开来。

第二隔离单元12连接信号输入端TX、第一电平端V1、第三电平端V3、第四电平端V4以及RS485芯片的发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE，用于在信号输入端TX输入低电平时，向发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE输入第三电平端V3的电压，在信号输入端TX输入高电平时，向发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE输入第四电平端V4的电压。

因为第二隔离单元12可以在信号输入端TX输入低电平时，向发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE输入第三电平端V3的电压且在信号输入端TX输入高电平时，向发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE输入第四电平端V4的电压，所以通过设定第三电平端V3的电压和第四电平端V4的电压值即可实现将信号输入端TX的输入的信号的反相电压输出送至发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE，且因为信号输入端TX不直接将输入信号输送至发送器使能管脚DE和接收器使能管脚RE，所以可以将与信号输入端TX连接的器件与发送器使能管脚DE、接收器使能管脚RE隔离开来。

隔离电阻13的第一端连接第四电平端V4，隔离电阻13的第二端连接RS485芯片的发送器输入管脚DI。

因为RS485芯片的发送器输入管脚DI仅通过隔离电阻13连接第四电平端V4，所以可以将RS485芯片的发送器输入管脚DI隔离开来。

本实用新型实施例提供的一种RS485芯片隔离电路，包括：第一隔离单元、第二隔离单元以及隔离电阻；其中，第一隔离单元能够在接收器输出管脚输出高电平时在信号输出端输出第一电平端的电压，在接收器输出管脚输出低电平时在信号输出端输出第二电平端的电压，即通过第一隔离单元可以实现信号输出端和RS485芯片的接收器输出管脚的隔离；第二隔离单元能够在信号输入端输入低电平时，向发送器使能管脚和接收器使能管脚输入第三电平端的电压，在信号输入端输入高电平时，向发送器使能管脚和接收器使能管脚输入第四电平端的电压，即通过第二隔离单元可以实现信号输入端和RS485芯片的接收器使能管脚的隔离以及信号输入端和RS485芯片的发送器使能管脚的隔离；隔离电阻的第一端连接第四电平端，隔离电阻的第二端连接RS485芯片的发送器输入管脚，因此第四电平端通过隔离电阻可以将RS485芯片的发送器输入管脚与第四电平端的电压拉齐，即通过隔离电阻可以将RS485芯片的发送器输入管脚隔离，相比于现有技术中通过三个光电耦合器来实现RS485芯片与系统的隔离，本实用新型实施例中采用第一隔离单元、第二隔离单元以及隔离电阻即可实现RS485芯片的隔离，因此本实用新型实施例可以减小RS485芯片隔离电路中器件的数量，进而减小硬件设计成本、减小电路面积、减小占用芯片管脚数量以及将低驱动软件设计的复杂度。

进一步的，参照图2所示，第一隔离单元11包括：形成第一光电耦合器100的第一光敏三极管T1和第一发光二极管D1；

第一光敏三极管T1的第一极连接信号输出端RX以及第一电平端V1，第一光敏三极管T1的第二极连接第二电平端V2，第一光敏三极管T1的栅极耦合第一发光二极管D1；

第一发光二级管D1的阳极连接第三电平端V3，第一发光二极管D1的阴极连接RS485芯片的接收器输出管脚RO。

第二隔离单元12包括：形成第二光电耦合器200的第二光敏三极管T2和第二发光二极管D2以及第一电阻R1；

第二光敏三极管T2的第一极连接第三电平端V3，第二光敏三极管T2的第二极连接RS485芯片的发送器使能管脚RE和接收器使能管脚DE，第二光敏三极管T2的栅极耦合第二发光二极管D2；

第二发光二极管D2的阳极连接第一电平端V1，第二发光二极管的阴极连接信号输入端TX；

第一电阻R1的第一端连接第二光敏三极管T2的第二极、RS485芯片的发送器使能管脚DE以及接收器使能管脚RE，第一电阻R1的第二端连接第四电平端V4。

再进一步的，参照图3所示，第一隔离单元11包括：第二电阻R2和第三电阻R3；

第二电阻R2的第一端连接第一电平端V1，第二电阻R2的第二端连接信号输出端RX以及第一光敏三极管T1的第一极；

第三电阻R3串连于第三电平端R3和第一发光二极管D1的阳极之间。

第二隔离单元12还包括：第四电阻R4；

第四电阻R4串连于信号输入端TX和第二发光二极管D2的阴极之间。

通过第二电阻R2可以对第一电平端V1输出的电压进行分压，从而调节输入信号输出端RX或者第一光敏三极管T1的电压，且可以避免因第一电平端V1输出电压过大造成的第一光敏三极管T1损坏。同理，第三电阻R3可以对第三电平端V3输出的电压进行分压，从而调节输入第一发光二极管D1阳极的电压，且可以避免因第三电平端V3输出电压过大造成的第一发光二极管D1损坏；第四电阻R4可以对信号输入端TX输出的电压进行分压，从而调节输入第二发光二极管D2阴极的电压，且可以避免因信号输入端TX输出电压过大造成的第二发光二极管D2损坏。

以下第一电平端V1、第三电平端V3输出电压为高电平，第二电平端输V2、第四电平端V4输出电压为低电平为例对上述图3所示RS485芯片隔离电路以及RS485芯片的工作原理进行说明。示例性的，第二电平端V2可以为接地端。

具体的，参照图4所示，图4为本实用新型实施提供的RS485芯片的内部结构示意图。RS485芯片包括接收器R和发送器D，其中，接收器R的输出管脚RO为RS485芯片的管脚1；接收器R的使能管脚RE为RS485芯片的管脚2；发送器D的使能管脚DE为RS485芯片的管脚3；发送器D的输入管脚DI为RS485芯片的管脚4，此外，RS485芯片还包括：作为第一差分信号输出管脚A的管脚6、作为第二差分信号输出管脚B的管角7、作为接地管脚GND的管脚5以及作为电源管脚VCC的管脚8。

此外，参照图5所示，RS485芯片还包括：电容C、第五电阻R5、第六电阻R6。其中，电容C第一极连接第三电平端V3以及RS485芯片的电源管脚VCC,电容C的第二极连接第五电阻R5的第一端以及第四电平端V4，第五电阻R5的第二端连接RS485芯片的第二差分信号输出管脚B；第六电阻R6的第一端连接第一差分信号管脚A，第六电阻R6的第二端连接第三电平端V3。RS485芯片的接地管脚GND还连接第四电平端V4，第一差分信号输出管脚A还连接第一输出接口A’，第二差分信号输出管脚B还连接第二输出接口B’。

当信号输入端TX输入高电平时，第二发光二极管D2的阴极电压被拉高，第二发光二激光D2不发光，第二光敏三极管T2的第一极和第二极之间截止，RS485芯片的发送器使能端DE和接收器使能端RE均被第四电平端V4拉为低电平，因此发送器D被关闭，接收器R被开启，即RS485芯片处于接收状态。同时，RS485芯片的第二差分信号输出管脚B通过第五电阻R5电压被拉低，RS485芯片的第一差分信号输出管脚A通过第六电阻R6电压被拉高，第一输出接口A’输出高电平，第二输出接口B’输出低电平，输出信号记为1。

当信号输入端TX输入低电平时，第二发光二极管D2的阴极电压被拉低，第二发光二激光D2发光，二光敏三极管T2的第一极和第二极导通，RS485芯片的发送器使能端DE和接收器使能端RE均被第四电平端V4拉为低电平，因此发送器D被开启，接收器R被关闭,即RS485芯片处于发送状态。同时，发送器输入管脚DI的电压被第四电平端V4通过隔离电阻13拉低，发送器输入管脚DI与第一差分信号输出端A的输出为同向输出，发送器输入管脚DI与第二差分信号输出端B的输出为反向输出，第一输出接口A’输出低电平，第二输出接口B’输出高电平，输出信号记为0。

当RS485芯片的接收器输出管脚RO输出高电平时，第一发光二极管D1的阴极电压被拉高，第一发光二极管D1不发光，第一光敏三极管T1的第一极和第二极截止，信号输出端RX被第一电平端通过第二电阻R2拉升为高电平，信号输出端RX输出高电平。

当RS485芯片的接收器输出管脚RO输出低电平时，第一发光二极管D1的阴极电压被拉低，第一发光二极管D1发光，第一光敏三极管T1的第一极和第二极导通，信号输出端RX被第二电平端拉为低电平，信号输出端RX输出低电平。

进一步的，在工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间可能存在很高的共模电压，虽然RS485芯片采用差分传输方式，具有一定抗工模干扰能力，并且通过第一隔离单元11、第二隔离单元12以及隔离电阻13组成的电路将RS485芯片信号与系统信号隔离，系统电源与RS485芯片电源仍会产生较高的共模电压，且当共模电压超过RS485芯片的接收器的极限接收电压时，还是会影响RS485芯片正常工作，甚至烧毁RS485芯片。因此优选的，参照图6所示，上述实施例提供的RS485芯片隔离电路还包括：电源隔离供电单元14；

电源隔离供电单元14连接提供第一电平端V1的电压和第二电平端V2的电压的第一电源61、提供第三电平端V3的电压和第四电平端V4的电压的第二电源62以及第一电平端V1、第二电平端V2、第三电平端V3以及第四电平端V4，用于隔离第一电源61与第二电源62。

示例性的，第一电源61具体可以为VDD电源，第二电源62具体的可以为RS485芯片接口电路电源，电源隔离供电单元14可以为不共地的隔离电源。

RS485芯片的供电电路很容易受到来自通讯电缆等外界的电磁信号的干扰，采用隔离电源模块能够有效抑制干扰向主控芯片传导。即，上述实施例中通过电源隔离供电单元14将系统电源和向RS485芯片提供电电压的电源隔离开来，从而彻底消除共模电压对RS485芯片的影响。

进一步的，上述实施例中通过第一隔离单元11、第二隔离单元12以及隔离电阻13以及电源隔离供电单元14组成的电路有效的抑制了RS485芯片的高共模电压，但由于RS485芯片接入的传输线通常较长，雷电和静电干扰也是实际工程常常遇到的问题，雷电、静电等产生的涌浪冲击能够使整个通信系统遭到严重破坏，所以优选的，参照图7所示，上述任一实施例提供的RS485芯片隔离电路还包括：防护单元15；

防护单元15连接RS485芯片的第一差分信号输出管脚A、RS485芯片的第二差分信号输出管脚B、第一传输接口A’、第二传输接口B’以及第二电平端V2，用于将RS485芯片的第一差分信号输出管脚A的电压与RS485芯片的第二差分信号输出管脚B的电压钳制在预设范围内。

其中，预设电压的电压值可以通过调节防护电路15的电气参数调节，本实用新型实施例中不限定预设电压的具体值，只要预设电压小于RS485芯片能够承受的电压最大值即可。

具体的，参照图8所示，防护单元15包括：放电管GDT和热敏电阻PTC；

放电管GDT第一极连接第一传输接口A’，放电管GDT第二极连接第二传输接口B’，放电管的第三级连接第二电平端V2；

热敏电阻PTC串联于RS485芯片的第二差分信号输出管脚B与放电管GDT的第一极之间。

当发生雷击或者静电放电时，感应电压由第一传输接口A’和第二传输接口B’引入，放电管GDT对感应电压进行放电，从而减小感应电压的电压值，然后电路中的电流在经过热敏电阻PTC限流，从而对RS485芯片进行保护。

此外，在RS485芯片正产工作时，流过热敏电阻PTC的电流小于额定电流，热敏电阻的阻值非常小，对RS485芯片输出差分电压的影响可以忽略不计。当发生雷击或者静电放电时，流过热敏电阻PTC的电流远超过额定电流，热敏电阻PTC瞬间发热，阻值骤增，从而限制或阻断电路通过，保护RS485芯片不受损坏。

进一步的，上述防护单元虽然可以对RS485芯片进行保护，但在发生大能量的雷击时，承受大能量雷击的器件放电管GDT可能无法将雷击电压钳制到RS485芯片能够承受的水平。因此本实用新型实施例提供另一种可以承受大能量雷击的防护单元，具体的，参照图9所示，防护单元15还包括：瞬态抑制管D；

瞬态抑制管D的第一极连接RS485芯片的第二差分信号输出管脚B；瞬态抑制管D的第二极连接RS485芯片隔离电路的第一差分信号输出管脚A。

即，本实用新型实施例中采用两级防护保护RS485芯片，其中第一级由放电管GDT和热敏二极管组成，第二级由瞬态抑制管D组成。

还需要说明的，如果仅采用第一级防护，承受大能量雷击的器件放电管GDT可能无法将雷击电压钳制到RS485芯片能够承受的水平，而瞬态抑制管D虽然可以将雷击电压钳制到RS485芯片能够承受的水平，但不能承受雷击电压带来的能量，所以优选的，采用两级防护对RS485芯片进行保护。

本实用新型的实施例在提供一种RS485芯片，包括上述任一实施例提供的RS485芯片隔离电路。

本实用新型中不限定RS485芯片的具体形式，只要包含上述任一实施例提供的RS485芯片隔离电路即属于本实用新型实施例的保护范围。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。