阅读说明：本技术 一种rs485总线差分信号放大器 (RS485 bus differential signal amplifier ) 是由 刘全辉 戴俊秀 黄健 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种RS485总线差分信号放大器,其特征是：包括第一总线接口、第二总线接口、第一RS485转换模块、第二RS485转换模块以及信号处理模块,第一总线接口与第一RS485转换模块的差分信号端口连接,第一RS485转换模块的电平信号端口与信号处理模块的输入端连接,信号处理模块的输出端与第二RS485转换模块的电平信号端口连接,第二总线接口与第二RS485转换模块的差分信号端口连接,信号处理模块用于接受电平信号并根据电平信号的传输方向控制第一RS485转换模块和第二RS485转换模块的收发状态。该放大器先将差分信号转换为TTL电平信号,再对TTL电平信号进行一系列反相处理,最后将TTL电平信号还原为差分信号,实现了对衰弱的差分信号的放大,从而对差分信号进行准确判断。(The invention discloses an RS485 bus differential signal amplifier which is characterized by comprising a first bus interface, a second bus interface, a first RS485 conversion module, a second RS485 conversion module and a signal processing module, wherein the first bus interface is connected with a differential signal port of the first RS485 conversion module, a level signal port of the first RS485 conversion module is connected with an input end of the signal processing module, an output end of the signal processing module is connected with a level signal port of the second RS485 conversion module, the second bus interface is connected with a differential signal port of the second RS485 conversion module, the signal processing module is used for receiving a level signal and controlling the transceiving states of the first RS485 conversion module and the second RS485 conversion module according to the transmission direction of the level signal, the amplifier converts the differential signal into a TT L level signal, then performs a series of phase inversion processing on the TT L level signal, and finally restores the TT L level signal into the differential signal, so that the attenuated differential signal is amplified and the differential signal is accurately judged.)

一种RS485总线差分信号放大器

技术领域

本发明涉及一种信号放大器，更具体地说，它涉及一种RS485总线差分信号放大器。

背景技术

RS485总线是现在工业通信领域常用的通信之一，在智能仪表，智能家居，工业控制经常使用。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机多个从机。在信号传输上采用差分线技术进行通信，既利用两条线之间的信号差来传输数字信号0或者1，对于RS485来说这两条线就是A和B。一般情况下当A-B的电压大于或等于0.2V则总线上传输信号1；当A-B的电压小于或等于-0.2V则总线上传输信号0；而A-B大于-0.2小于0.2，则总线的信号无法确定既有可能是1也有可能是0；空闲状态下AB之间的电压都是高电平。其优势是布线简单，传输距离长，抗干扰能力强。

理论上RS485总线上可以挂载几十个或上百个从机，而且理论上传输距离可达几百米到千米不等，这满足大多数控制数量要求距离要求。但是在实际工程使用中，由于线材的材质和实际工程布线的现场情况会让实际与理论值相差甚远。总线上的信号从主机发出经过长距离的传输受到线材的阻抗影响到末端就衰减的非常厉害，导致A、B之间的电压差太小而介于大于-0.2小于0.2的区间上，这导致信号传输不正确总线通信不正常，从机给主机发出的信号经过长距离的传输受到线材的阻抗因素影响到主机上受到的信号也会出现通信不正常现象。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种RS485总线差分信号放大器，其能够避免RS485总线因信号衰减导致差分信号无法被准确判断的情况，保证RS485总线远距离通信的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种RS485总线差分信号放大器，包括第一总线接口、第二总线接口、第一RS485转换模块、第二RS485转换模块以及信号处理模块，所述第一总线接口与第一RS485转换模块的差分信号端口连接，所述第一RS485转换模块的电平信号端口与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与第二RS485转换模块的电平信号端口连接，所述第二总线接口与第二RS485转换模块的差分信号端口连接，所述第一RS485转换模块和第二RS485转换模块用于将差分信号转换为电平信号或是将电平信号转换为差分信号，所述信号处理模块用于接受电平信号并根据电平信号的传输方向控制第一RS485转换模块和第二RS485转换模块的收发状态。

作为优选方案：所述信号处理模块包括第一反相器、第二反相器、第一隔离模块和第二隔离模块，所述第一反相器包括互相独立的第一、第二、第三、第四、第五和第六反相单元，第二反相器包括互相独立的第七、第八、第九、第十、第十一以及第十二反相单元，所述第一反相单元的输出端与第二反相单元的输入端，所述第二反相单元的输出端与第一RS485转换模块的发送端，所述第三反相单元的输入端与第一RS485转换模块的接收端连接，所述第三反相单元的输出端与第一隔离模块的输入端连接，所述第六反相单元的输出端与第五反相单元的输入端连接，所述第五反相单元的输出端与第四反相单元的输入端连接，所述第四反相单元的输出端与第一RS485转换模块的使能端连接，所述第十二反相单元的输出端与第一隔离模块的输出端连接，所述第十二反相单元的输出端与第七反相单元的输入端连接，所述第七反相单元的输出端与第二RS485转换模块的发送端连接，所述第九反相单元的输入端与第二RS485转换模块的接收端连接，所述第九反相单元的输出端与第二隔离模块的输入端连接，所述第二隔离模块的输出端与第一反相单元的输入端以及第六反相单元的输入端连接，所述第十一反相单元的输入端与第一隔离模块的输出端连接，所述第十一反相单元的输出端与第十反相单元的输入端连接，所述第十反相单元的输出端与第八反相单元的输入端连接，所述第八反相单元的输出端与第二RS485转换模块的使能端连接。

作为优选方案：所述第一RS485转换模块采用的是型号为SN75176的芯片U4，U4的5号引脚接地，U4的6号引脚与第一总线接口J1的2号端口连接，U4的7号引脚与J1的3号端口连接，U4的8号引脚连接电源VCC，U4的6号引脚通过电阻R2连接电源VCC，J1的1号端口连接电源VCC，U4的7号引脚通过电阻R6接地，J1的4号端口接地， U4的1号引脚通过电阻R9连接电源VCC。

作为优选方案：所述第一反相器采用的是TLL反相器，其包括芯片U2，U2的型号为74HC04，U2的1号引脚通过电阻R1连接电源VCC，U2的2号引脚与其3号引脚连接， U2的7号引脚接地，U2的9号引脚通过电阻R4连接其10号引脚，U2的11号引脚与其12号引脚连接，U2的13号引脚与其1号引脚连接，U2的4号引脚与U4的4号引脚连接，U2的8号引脚与U4的2号引脚及3号引脚连接。

作为优选方案：第一隔离模块采用的是隔离光耦芯片U7，U7的型号为HCPL-0601，U7的8号引脚连接电源VCC1、U7的5号引脚以及3号引脚均接地， U7的6号引脚通过电阻R12连接电源VCC1，U7的2号引脚通过电阻R11连接U2的6号引脚。

作为优选方案：第二隔离模块采用的隔离光耦芯片U6，U6的型号为HCPL-0601, U6的3号引脚和5号引脚接地，U3的8号引脚连接电源VCC，U6的6号引脚与U2的1号引脚以及13号引脚连接。

作为优选方案：第二反相器采用的是TTL反相器，其包括芯片U3，U3的型号为74HC04，U3的1号引脚与其12号引脚连接，U3的2号引脚与U5的4号引脚连接，U3的3号引脚通过电阻R10连接其8号引脚，U3的4号引脚连接U5的2号引脚，U3的5号引脚连接U5的1号引脚，U3的6号引脚通过电阻R5连接U6的2号引脚，U3的7号引脚接地，U3的9号引脚与其10号引脚连接，U3的11号引脚以及13号引脚均与U7的6号引脚连接，U3的14号引脚连接电源VCC1。

作为优选方案：第二RS485转换模块采用的是型号为SN75176的芯片U5，U5的1号引脚通过电阻R8连接电源VCC1，U5的5号引脚接地，U5的6号引脚与第二总线接口J2的2号端口连接，U5的7号引脚与J2的3号端口连接，U5的8号引脚连接电源VCC1，U5的6号引脚通过电阻R3连接电源VCC1，J2的1号端口连接电源VCC1，U5的7号引脚通过电阻R7接地，J2的4号端口接地。

作为优选方案：还包括二极管D1，其中D1的正极与U2的9号引脚连接，D1的负极与U2的10号引脚连接。

作为优选方案：还包括二极管D2，D2的正极与U3的3号引脚连接，D2的负极与U3的8号引脚连接。

与现有技术相比，本发明的优点是：该放大器在工作时，第一RS485转换模块将差分信号转换为TTL电平信号，再由信号处理模块对TTL电平信号进行前述的一系列反相处理，最后由第二RS485转换模块将TTL电平信号还原为差分信号，还原出的两路信号幅值变大，即实现了对衰弱的差分信号的放大，两路放大后的信号的差值不会出现-0.2V<A-B<0.2V的情况，如此可以准确判断出差分信号为0还是为1。

附图说明

图1为RS485总线信号衰减示意图；

图2为RS485总线差分信号放大器的电路原理图；

图3为信号处理模块的电路原理图；

图4为RS485总线差分信号放大器的具体电路图；

图5为RS485转换芯片的功能表；

图6为差分信号与TTL电平信号的转换示意图；

图7为TTL反相器的内部电路示意图。

具体实施方式

参照图2,一种RS485总线差分信号放大器，包括第一总线接口、第二总线接口、第一RS485转换模块、第二RS485转换模块以及信号处理模块，其中第一总线接口与第一RS485转换模块的差分信号端口连接，第一RS485转换模块的电平信号端口与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与第二RS485转换模块的电平信号端口连接，第二总线接口与第二RS485转换模块的差分信号端口连接。

第一总线接口和第二总线接口用于将该放大器接入RS485总线线路中；第一RS485转换模块和第二RS485转换模块用于将差分信号转换为电平信号或是将电平信号转换为差分信号；信号处理模块用于接受电平信号并根据电平信号的传输方向控制第一RS485转换模块和第二RS485转换模块的收发状态。

参照图2和图3，本实施例中的信号处理模块包括第一反相器、第二反相器、第一隔离模块和第二隔离模块。其中第一反相器包括互相独立的第一、第二、第三、第四、第五和第六反相单元，第二反相器包括互相独立的第七、第八、第九、第十、第十一以及第十二反相单元。

第一反相单元的输出端与第二反相单元的输入端，第二反相单元的输出端与第一RS485转换模块的发送端，第三反相单元的输入端与第一RS485转换模块的接收端连接，第三反相单元的输出端与第一隔离模块的输入端连接，第六反相单元的输出端与第五反相单元的输入端连接，第五反相单元的输出端与第四反相单元的输入端连接，第四反相单元的输出端与第一RS485转换模块的使能端连接。

第十二反相单元的输出端与第一隔离模块的输出端连接，第十二反相单元的输出端与第七反相单元的输入端连接，第七反相单元的输出端与第二RS485转换模块的发送端连接，第九反相单元的输入端与第二RS485转换模块的接收端连接，第九反相单元的输出端与第二隔离模块的输入端连接，第二隔离模块的输出端与第一反相单元的输入端以及第六反相单元的输入端连接，第十一反相单元的输入端与第一隔离模块的输出端连接，第十一反相单元的输出端与第十反相单元的输入端连接，第十反相单元的输出端与第八反相单元的输入端连接，第八反相单元的输出端与第二RS485转换模块的使能端连接。

参照图4，第一RS485转换模块采用的是型号为SN75176的芯片U4，U4的5号引脚接地，U4的6号引脚与第一总线接口J1的2号端口连接，U4的7号引脚与J1的3号端口连接，U4的8号引脚连接电源VCC，U4的6号引脚通过电阻R2连接电源VCC，J1的1号端口连接电源VCC，U4的7号引脚通过电阻R6接地，J1的4号端口接地， U4的1号引脚通过电阻R9（即前述第一上拉电阻）连接电源VCC。

第一反相器采用的是TLL反相器，其包括芯片U2，U2的型号为74HC04，74HC04芯片的内部电路如图7所示，其包括六个独立的反相器，正好可以用在本实施例中。

U2的1号引脚通过电阻R1连接电源VCC，U2的2号引脚与其3号引脚连接， U2的7号引脚接地，U2的9号引脚通过电阻R4连接其10号引脚，U2的11号引脚与其12号引脚连接，U2的13号引脚与其1号引脚连接，U2的4号引脚与U4的4号引脚连接，U2的8号引脚与U4的2号引脚及3号引脚连接。

第一隔离模块采用的是隔离光耦芯片U7，U7的型号为HCPL-0601，U7的8号引脚连接电源VCC1、U7的5号引脚以及3号引脚均接地， U7的6号引脚通过电阻R12连接电源VCC1，U7的2号引脚通过电阻R11连接U2的6号引脚。

第二隔离模块采用的隔离光耦芯片U6，U6的型号为HCPL-0601, U6的3号引脚和5号引脚接地，U3的8号引脚连接电源VCC。U6的6号引脚与U2的1号引脚以及13号引脚连接。

第二反相器采用的是TTL反相器，其包括芯片U3，U3的型号为74HC04，U3的1号引脚与其12号引脚连接，U3的2号引脚与U5的4号引脚连接，U3的3号引脚通过电阻R10连接其8号引脚，U3的4号引脚连接U5的2号引脚，U3的5号引脚连接U5的1号引脚，U3的6号引脚通过电阻R5连接U6的2号引脚，U3的7号引脚接地，U3的9号引脚与其10号引脚连接，U3的11号引脚以及13号引脚均与U7的6号引脚连接，U3的14号引脚连接电源VCC1。

第二RS485转换模块采用的是型号为SN75176的芯片U5，U5的1号引脚通过电阻R8（即前述第二上拉电阻）连接电源VCC1，U5的5号引脚接地，U5的6号引脚与第二总线接口J2的2号端口连接，U5的7号引脚与J2的3号端口连接，U5的8号引脚连接电源VCC1，U5的6号引脚通过电阻R3连接电源VCC1，J2的1号端口连接电源VCC1，U5的7号引脚通过电阻R7接地，J2的4号端口接地。

电源模块包括稳压芯片U1,U1的型号为IB0505LS-1W，U1的1号引脚输入DC5V电源VCC,U1的2号引脚接地，U1的4号引脚接地，U1的6号引脚输出DV3.3V电源VCC1。

图7为本实施例中的TTL反相器内部的电路图，TTL反相器内部包括六组独立的反相单元。

要解决由于RS485传输过程中信号衰减的问题并放大需要同时满足三个条件：

1、放大器至于总线上在远距离端信号衰减弱处能够把衰减的差分信号转换成TTL信号然后再由TTL信号转换成无衰减的差分信号。

2、放大器接入总线上后，在总线空闲状态下放大器两边都处于接收状态。

3、当放大器前端的总线是1或者0时经过放大器后端的总线也是0或者1，既放大器不对总线信号照成干扰。

而此方案能同时满足以上三个条件其分析和具体工作如下：

为便于解释说明，这里以芯片编号和引脚编号的组合来代替某一芯片的某一引脚。例如以U2.5来表示U2芯片的5号引脚，以此类推。

当总线处于空闲状态，即总线上无信号传输时，由于R8上拉电阻使反相器U2的第5脚U2.5=1，则U2.6=0，U2.6向U7.2输出低电平，此时光耦U7的输出引脚U7.6的输出信号由上拉电阻R12决定为1，U7.6向U3.11和U3.13输出1，U3.13=1则U3.12=U3.1=0，使得U3.2=U5.4=1，即RS485转换芯片U5的数据发送脚一直是高电平。由于U3.11=1则U3.10=U3.9=0，则U3.8=U3.3=1，U3.3=1则U3.4=0，U3.4=0使RS485转换芯片的使能端U5.2和U5.3为低电平，使U5一直处于接收状态，既放大器的输出端在总线空闲时处于接受状态。

同样的分析由于R8上拉电阻使反相器U3.5=1，U3.6=0，U3.6输入到光耦U6.2为低电平，此时光耦U6的输出U6.6由上拉电阻R1决定为1，使反相器U2.1=U2.13=1。由于U2.1=0则U2.2=U2.3=1，使U2.4=U4.4=1，即RS485转换芯片U4的数据发送脚一直高电平。由U2.6A=1则U2.6Y=U2.5A=0，U2.5A=0则U2.5Y=U2.4A=1，使的U2.4Y=0，U2.4Y=0使RS485转换芯片U4的使能端U4.2和U4.3为低电平使RS485转换芯片U4一直处于接收状态，即放大器的输入端在总线空闲时处于接收状态。

这样就满足了放大器接入总线上后，在总线空闲状态下放大器两边都处于接收状态，满足RS485总线双向通信的需求。

该放大器在工作时，即总线上有信号时，微弱的差分信号经过J1输送至RS485转换芯片U4，U4把A、B之间的差分信号转换成TTL信号，再经过一系列反向后由RS485转换芯片U5把TTL信号转换成差分信号。

当放大器输入端接收数字信号为0时既RS485转换芯片U4.1=0，则U4.1=U2.5=0,由于U2.5=0，则U2.6=U7.2=1,使得高速光耦U7的输出U7.6为低电平即U7.6=0，由于U7.6=0则U7.6=U3.11=U3.13=0。由于U3.11=0，则U3.10=U3.9=1,使得U3.8=U3.3=0，U3.3=0使的U3.4=1，U3.4连接RS485转换器U5的使能脚U5.2和U5.3，使U5.2=U5.3=1，RS485转换芯片U5的使能脚为高电平使芯片处于发送状态。再由U3.13=0，使得U3.12=U3.1=1，U3.1=1则U3.2=0，U3.2连接RS485转换芯片U5的数据发送脚U5.4，既U5.4=0。RS485芯片U5的使能脚为高电平，数据发送脚为低电平，则使得RS485转换芯片U5发出0，即放大器输出端发出数字信号为0。

当放大器的输入端接收数字信号为1时，即RS485转换芯片U4.1=1，则U4.1=U2.5=1,由于U2.5=1，则U2.6=U7.2=0,使得高速光耦U7的输出U7.6为高电平既U7.6=1，由于U7.6=1则U7.6=U3.11=U3.13=1。由于U3.11=1，则U3.10=U3.9=0,使得U3.8=U3.3=1，U3.3=1使的U3.4=0，U3.4连接RS485转换器U5的使能脚U5.2和U5.3，使U5.2=U5.3=0。由RS485转换芯片的数据手册（参照图5）可知当芯片的使能端为低电平时无论数据发送脚的数据信号为0或是1 RS485总线A、B都是呈高阻抗，由于RS485总线A由电阻R3上拉至VCC，总线B由下拉电阻R7下拉至GND所以A-B>=0.2V,所以总线上传输信号1。

这样就满足了当放大器前端的总线是0或者1时经过放大器后端的总线也是0或者1，既放大器不对总线信号照成干扰。

图1为RS485总线上的差分信号的波形图。从图1可知：从RS485主机发出的差分信号经过长距离传输后信号会衰减，可能出现-0.2V<A-B<0.2V的情况，此时无法通过信号差值对差分信号进行准确判断。如图6所示，第一RS485转换模块将差分信号转换为TTL电平信号，再由信号处理模块对TTL电平信号进行前述的一系列反相处理，最后由第二RS485转换模块将TTL电平信号还原为差分信号，还原出的两路信号幅值变大，即实现了对衰弱的差分信号的放大，两路放大后的信号的差值不会出现-0.2V<A-B<0.2V的情况，如此可以准确判断出差分信号为0还是为1。本实施例中的放大器实际上起到了信号中继和放大的作用。

本实例中使用的TTL反相器是74HC04,RS485转换芯片是SN75176，也可以是其他比如SP3485或MAX485。高速光耦采用的是HCPL-0601也可以是其他型号比如TLP2309。

参照图4，本实施例中的放大器还包括钳位二极管D1和D2，其中D1的正极与U2的9号引脚连接，D1的负极与U2的10号引脚连接。D2的正极与U3的3号引脚连接，D2的负极与U3的8号引脚连接。钳位二极管D1、D2，既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时，反相器内部的发射极的电流过大，起保护作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。