一种电气隔离式USB-RS485通讯转换模块

王明功

(广东雅达电子股份有限公司广东省河源市517000)

摘要：在电力及通讯行业用到很多测量仪表来对各种电量及非电量数据进行采集，例如常见的有电压、电流及温湿度等等，在各种仪表采集到数据以后需要集中将各自的数据上传到数据中心，而上传的通道目前为止以RS485总线最为广泛。RS485总线具有通讯距离远（1200米）、数据传输可靠、成本低，接线方便的优点。因此在对这些仪表生产、校准以及现场调试的过程中就离不开将RS485总线接口转换成上位机能够方便连接的接口，例如RS232及USB接口，而目前新出的上位机主板都逐渐淘汰了RS232接口，保留并升级了占用地方少，通讯速率高且使用方便的USB接口，所以为了能够安全方便的对仪表进行生产调试，本文提出了一种电气隔离式USB-RS485转换模块。

关键词：电气隔离；USB-RS485；通讯模块

引言

目前为止大多数工业测量控制仪表都配有RS485总线接口用于测量数据的读取及控制参数的设置，成品的测量仪表通讯接口都与一次侧的强电采取了电气隔离措施以保证后端的采集设备及后续安装工作人员的人身安全，但是在仪表的研发生产过程中及成套设备的运行调试过程中难免存在着以下几个问题：

1.接线错误，工控仪表有很多都是和高电压或大电流的测量联系在一起，在研发生产运行的过程中很容易出现接线错误或碰线、搭线的情况，例如将高压接到了通讯接口或者在调试设备的过程中通讯线的接头不小心碰到了强电侧等，一旦出现这种情况，轻者烧坏通讯测试设备，重者造成人员触电事故。我公司技术部门在产品的开发的过程中就有因为通讯转换模块未隔离而造成电脑主板烧坏且硬盘数据丢失的事故发生。

2.仪表电气隔离强度不够或者绝缘被破坏。市面难免存在着电气隔离设计不规范的产品，或者产品老化以及在雷雨天气导致通讯端口对强电侧的绝缘被破坏，在这种情况下工作人员去调试设备将会带来很严重的后果。

为避免上述情况的发生，下面介绍一种电气隔离式USB-RS485通讯转换模块，其具有隔离电压高、通讯速率高、负载能力强及体积小巧的优点。

3、原理图及材料选择

电路主要有USB转TTL，电气隔离，TTL转RS485三部分组成。

图1：转换模块原理图

4、USB转TTL部分

4.1转换器选用通用USB插头作为接插件，因整个转换器体积小巧所以将插头直接与PCB连接，详见附图2。

4.2选用CH341（U1）作为转换模块的电平转换芯片，其具有外电路简单、兼容性好、有RS485总线芯片收发使能控制功能的优点，可以让485芯片有更好的总线驱动能力。

4.3再为转换芯片加上收发通讯指示灯就完成了USB-TTL电平转换的功能。

5、电气隔离部分

电气隔离部分分为光电信号隔离及DC/DC电源模块的电磁隔离两部分。光电信号隔离的主要器件O1，O2，O3为光耦，用于通讯数据的隔离传输。因为接收与发送数据的传输速率较高所以O1O3选用高速光耦，而485芯片的收发使能控制速率较低采用普通低速光耦即可满足使用要求，所选光耦除了满足通讯速率要求外还需满足2kV的隔离电压要求。电磁隔离部分主要为DC/DC电源模块，其主要作用是将从USB提供过来的DC5V电源1:1隔离传输给后端的485总线芯片，此处选用是功率为1W，隔离电压为2kV的DC0505电源模块。

6、TTL转RS485部分

由U2将隔离后的TTL电平转换为RS485总线的差分电压信号进行总线驱动，为了适应现场不同的调试环境，此处的485芯片应选用可以驱动256台从机的高性能485芯片。随后由TVS1，TVS2，PPTC1，PPTC2组成的RS485输出保护电路可有效避免因接错线或误碰高压侧导致的转换器损坏。

图2：转换模块PCBA外观图

7、结束语

本文介绍一种电气隔离式USB-RS485转换模块，使用方便，系统兼容性好，目前在XPWIN7WIN10系统测试均可正常使用，最为重要的是安全，在技术以及生产更换为此隔离转换模块后再未出现因为RS485总线引起上位机损坏的情况出现。

本电路已申请专利！

参考文献:

[1]RS-485(TIA/EIA-485-A)网络连接指南

[2]YD/T1363.3-2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统.

[3]GB/T22264.8-2009安装式数字显示电测量仪表