摘要：为了能够简化楼宇供暖节能控制系统中RS485网络外围电路以及提高系统的稳定性、可靠性，本文设计了基于ADM2483的隔离型RS485数据传输单元。ADM2483是一款半双工的采用iCoupler®磁隔离技术的隔离型RS485收发器，该收发器逻辑侧电源(VDD1)采用5V或3V直流电源供电，可以非常方便开发者灵活的选取MCU以构建自己的开发系统。文中从硬件电路设计以及软件协同设计方面详细介绍了数据传输单元的设计。通过一个供暖季在本单位住宅楼供暖节能该造系统中的运行，由数据传输的单元及其它执行机构所组成的系统运行非常稳定，该系统实现了既定的节能目标。
关键词：ADM2483；供暖节能；RS485网络；数据传输单元
引言
目前，我国在各行各业中大力提倡可持续化发展，节约能源已经深入到人们生活的方方面面，与我们生活相关的建筑物是耗能大户，特别是我国北方地区每年冬季供暖，都会消耗大量的能源。随着物联网技术的快速发展，人们在节能控制方面已经不仅仅满足于对楼宇内温度的精准控制，实现对采集的温度、湿度、设备状态等参数的可视化，远程监控操作等功能已经是新的发展趋势，而稳健的传输及控制接口是实现上述采集控制的基础。本文设计了一款基于ADM2483的隔离型RS485总线数据传输单元，可以用于楼宇供暖节能系统中。
1 设计思路
RS485标准采用平衡发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，其具有传输线成本低、抗共模干扰能力强、传输速率快、布线方便等特点。因为这些特点，目前在工业现场数据采集及楼宇能耗监测等领域得到广泛的应用。楼宇节能控制系统中因其控制单元数量较多且比较分散加上现场存在的各种干扰，特别是干扰比较严重的如有电梯等变频设备的电井布设RS485总线，简单的采用非隔离型的RS485接口方案，通常会导致RS485总线上出现各种乱码，严重的时候甚至烧毁通信端口，导致整个系统瘫痪。传统的方式是采用光电隔离技术，但但光电耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上，同时光电耦合器的隔离阻抗会随着频率的提高而降低，抗干扰效果也就随之降低。面对这些痛点，本文使用ADI公司的基于iCoupler 磁隔离技术的ADM2483芯片，其总线可接256个节点，高集成度，相对较低的陈本，以及仅需要很少的外围分立器件就可以轻松实现稳定可靠、多节点的RS485接口电路。作为供暖节能系统中承载数据链路通讯的数据传输单元，其RS485接口电路正是采用ADM2483。
2 硬件设计
数据传输单元以STM32F103C8T6微控制器为主控核心，以ADM2483为RS485总线通讯接口，以MAX3483为子RS485接口，B0505LS-1W为5V隔离电源，AMS1117-3.3V为5V转3.3V电源模块。根据现场使用环境，对总线侧做隔离型设计，而对子RS485侧因为仅接一到两个阀控器，而且距离非常近所以采用32节点的MAX3483做非隔离型设计，既可以满足现场数据采集的需要。数据传输单元的结构图如图1所示
图1 数据传输单元结构图
2.1 STM32F103C8T6微控制器
STM32F103C8T6是意法半导体推出的一款基于ARM Cortex™-M3内核的32位微控制器，片内自带20KB的SRAM及64KB的FLASH，具有多达3个USART串行接口，内核频率最高可工作在72MHz。其内部集成POR、PDR，在低于设定的电压时可以自动复位，保证了微控制器在上电、断电时的可靠性。同时片内自带2个16bit的看门狗定时器，非常适合于本系统的设计应用。
2.2ADM2483收发器
ADM2483是ADI公司推出的一款基于iCoupler 磁隔离技术的隔离型半双工RS485收发器，其输入阻抗为96KΩ，总线最大允许接入256个收发器，具有最高500kbps的传输速率，由于采用了边沿斜率限制技术(slew-limited)，极大的降低了因不合适的终端传输接线所导致的反射信号。同时其内部具有热关断保护机制，-40℃~80℃的工作温度范围满足工业级应用。这些特性使ADM2483非常适用于低功耗、多节点的RS485网络，以及楼宇控制系统中。
2.3总线接口设计
在基于ADM2483设计RS485总线时，为了应对现场各种恶劣的电磁环境及潜在的干扰，除了现场布设总线时需要按照RS485布线的要求布设，其次在RS485接口保护设计方面需要满足某些电磁兼容性（EMC）法规。选择合适的保护器件使其动态特性需要与受保护器件输入/输出极相匹配，对提高RS485总线的稳健性至关重要。在设计接口保护时要充分考虑到静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)和电涌三项瞬变抗扰度标准。在综合考虑陈本及楼宇环境下应用的保护等别，本设计使用Bourns外部电路保护元件，包括瞬变电压抑制器(CDSOT23-SM712)、瞬变闭锁单元(TBU-CA065-200-WH)、晶闸管电涌保护器(TISP4240M3BJR-S)，图二给出了数据传输单元RS485总线接口保护的硬件电路图。
图2 ADM2483接口保护电路
在该保护电路中，提供了主级和次级保护。当高能量的瞬变传导在总线中，主保护器件TISP通过低阻抗路径首先将大部分瞬变能量从系统及其它保护器件转移开。高速过流保护器件TBU则通过限制电流来保护后级电路。次级保护器件SM712具有独特的+13.3 V和–7.5 V的非对称击穿电压，与+12 V至–7 V的收发器共模范围相匹配，从而提供最佳保护。
考虑到系统在上电/掉电时逻辑电源瞬态电压的缓慢上升/下降，导致总线侧A,B端口可能会出现乱码，在ADM2483的PV引脚设计了基于ADM809Z的复位电路，其复位阈值为2.32V。当逻辑侧电源电压低于2.32V时，ADM809Z输出低电平，使ADM2483芯片处于复位态，进一步提高系统的稳定性。下图为ADM2483复位原理图。
图3 ADM2483复位电路
3 软件设计
根据硬件结构，软件进行了优化设计，主要是提高RS485数据的传输稳定性。利用单片机相互隔离的串口通讯模式，在接收到RS485数据后，进行严格的CRC校验，确保数据的准确性，再进行转发，提高了数据的稳定性。软件流程图如下图所示：
4 结束语
本文通过对ADM2483接口保护电路的设计，提供了一种稳定可靠的RS485总线保护方案，并将该保护方案应用在数据传输单元中。通过软硬件的设计，在以数据传输单元为RS485总线传输节点的楼宇供暖采集控制系统中，实现了数据的采集及控制。经过一个供暖季的使用，该系统非常稳定可靠。
参考文献:
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[2] 李白萍, 张毅龙. RS485／422磁隔离技术与应用设计[J]. 陕西理工大学学报(自然科学版), 2014(2):15-18.
冶志强（1987—），男，新疆乌鲁木齐市，大学本科，助理工程师。主要研究方向自动化测控技术.
论文作者:冶志强
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：总线论文; 数据传输论文; 单元论文; 楼宇论文; 接口论文; 电路论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第6期论文;