一种高隔离零延时USB转RS485隔离串口通讯模块的制作方法

本发明涉及工业串口通讯信号转换设备，更具体地说，本发明涉及一种高隔离零延时usb转rs485隔离串口通讯模块。

背景技术：

1、在工业自动化控制、电力数据采集、数控设备、楼宇控制和门禁控制等设备连接中，上位机侧通常采用usb接口完成数据交互和总线取电，现场设备侧则多采用rs485差分总线实现远距离、多节点、半双工通讯；随着边缘计算设备在工业现场中的部署增加，现场控制器、采集终端和边缘计算网关需要通过本地通讯接口接收设备数据并下发控制指令，usb转rs485转换模块因此被用于连接上位机、边缘计算网关与rs485现场总线；现有usb转rs485转换模块一般在usb接口之后设置usb转串口芯片，将usb差分信号转换为ttl串口收发信号，再通过rs485收发器将ttl信号转换为rs485-a、rs485-b差分信号输出；

2、这类结构能够满足基础接口转换需求，但其电路设计通常集中于信号格式转换，usb侧低压电路与rs485侧工业线路之间的电气隔离、rs485端口对静电和浪涌的泄放路径，以及半双工收发方向的硬件切换关系未被作为同一通讯链路进行配合设计；

3、在现场使用过程中，rs485端口需要通过接线端子接入外部通讯线缆，并与采集终端、控制器、执行设备或控制柜内的其他节点连接；usb端则直接连接上位机或边缘计算设备端口，模块工作电源也由usb总线提供；由于rs485线路侧与现场设备、线缆和接地环境直接相关，静电脉冲、浪涌电压、共模干扰和地电位差会优先作用于rs485-a、rs485-b及其参考地；如果usb侧与rs485侧采用直接共地或隔离不足的连接方式，上述干扰会沿差分信号回路、收发器供电回路或地回路进入usb转串口芯片侧，进而表现为转换芯片复位、usb端口枚举异常、串口通讯中断、数据帧丢失或现场设备误动作；对于需要连续采集现场数据并执行本地处理的边缘计算场景，上述异常还会导致边缘侧采集数据不连续、控制指令响应不稳定，影响现场通讯链路的可靠运行；

4、另一方面，rs485总线采用半双工通讯方式时，同一对差分线既承担发送也承担接收，收发器需要通过de、re控制端在发送驱动状态和接收监听状态之间切换；现有转换模块若通过软件延时、主控程序判断或外部控制脚控制收发方向，切换时序会受到程序执行周期、波特率、数据帧长度和总线响应时间的影响；当通讯速率提高或现场设备应答间隔缩短时，发送使能释放滞后会延长总线占用时间，接收使能开启不及时会造成返回数据前沿丢失；若为了避免丢帧而增加延时，又会降低总线交互效率；

5、因此，半双工收发切换不能仅作为附属控制动作处理，而需要与usb转串口输出的收发使能信号、隔离传递路径和rs485收发器控制端形成确定的硬件连接关系；

6、由此，本技术需要解决的技术问题是：如何在usb转rs485隔离串口通讯模块中，使usb侧与rs485侧通过隔离后的ttl收发信号和收发使能信号完成数据传递，避免rs485现场端口的静电、浪涌和共模干扰回灌至usb侧，并使rs485半双工收发器能够依据隔离后的硬件收发使能信号及时切换发送状态和接收状态，从而满足工业现场及边缘计算设备接入场景下对隔离安全性、端口防护能力和收发稳定性的要求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种高隔离零延时usb转rs485隔离串口通讯模块，通过将usb-a沉板座j1接入的usb差分信号经ms3020转换为rxd1、txd1和txen1，再由nirsp31v将rxd1、txd1和txen1隔离传递为rxd_ttl、txd_ttl和txen，并利用txen直接控制um13088的re引脚和de引脚，同时在rs485-a、rs485-b端口侧设置防护匹配电路，实现usb侧与rs485侧隔离条件下的数据转换、硬件收发切换和端口防护，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高隔离零延时usb转rs485隔离串口通讯模块，包括pcb板、usb-a沉板座j1、usb转串口通讯芯片u4、信号隔离芯片u3、rs485收发器u2、p3.5按压式接线端子j2以及rs485端口防护匹配电路；

3、所述usb-a沉板座j1设置于pcb板的一端，usb-a沉板座j1的vcc引脚连接vbus，d+引脚通过dp2_p连接usb转串口通讯芯片u4，d-引脚通过dm2_n连接usb转串口通讯芯片u4，gnd引脚连接usb侧地gnd；

4、所述usb转串口通讯芯片u4为ms3020芯片，usb转串口通讯芯片u4通过rxd/gpio11引脚连接rxd1，通过txd/gpio8引脚连接txd1，通过gpio17/txen引脚连接txen1；

5、所述信号隔离芯片u3为nirsp31v芯片，信号隔离芯片u3的r引脚连接rxd1，d引脚连接txd1，de引脚连接txen1，并将rxd1、txd1和txen1分别隔离传递为rxd_ttl、txd_ttl和txen；

6、所述rs485收发器u2为um13088芯片，rs485收发器u2的ro引脚连接rxd_ttl，di引脚连接txd_ttl，re引脚和de引脚均连接txen，a引脚连接rs485-a，b引脚连接rs485-b；

7、所述p3.5按压式接线端子j2设置于pcb板的另一端，p3.5按压式接线端子j2的第一端子连接rs485-a，第二端子连接rs485-b，所述rs485端口防护匹配电路连接于rs485-a与rs485-b之间以及rs485-a、rs485-b与隔离后侧地gnd2之间。

8、在一个优选的实施方式中，所述usb-a沉板座j1包括vcc引脚、d-引脚、d+引脚和gnd引脚；所述vcc引脚经l1连接vbus，l1为fb600磁珠；所述d+引脚形成dp2_p，所述d-引脚形成dm2_n，所述gnd引脚连接usb侧地gnd；

9、所述usb-a沉板座j1的输入侧设置d12、c6、c21和c22，d12为smfj28a-e3/52防护器件，d12设置于usb-a沉板座j1的输入侧防护支路；c6为10μf电容，c6接入vbus与usb侧地gnd之间的供电滤波支路；c21和c22均为10pf电容，c21和c22接入dp2_p、dm2_n所在的usb差分信号滤波支路。

10、在一个优选的实施方式中，所述usb转串口通讯芯片u4的型号为ms3020；所述usb转串口通讯芯片u4的usbdp引脚连接dp2_p，usbdm引脚连接dm2_n，vdd5v引脚连接vbus，vldo33引脚连接lvdo33网络，vss引脚连接usb侧地gnd；

11、所述usb转串口通讯芯片u4的rxd/gpio11引脚连接rxd1，txd/gpio8引脚连接txd1，gpio17/txen引脚连接txen1，使usb转串口通讯芯片u4将经dp2_p和dm2_n输入的usb差分信号转换为rxd1、txd1对应的ttl串口收发信号，并输出txen1对应的收发使能信号；

12、所述usb转串口通讯芯片u4的rstn引脚连接复位配置支路，所述复位配置支路包括r6，r6为100k电阻并接入rstn引脚所在复位配置节点；所述usb转串口通讯芯片u4的gpio1/spisclk引脚连接rx-led，gpio0/spics引脚连接tx-led。

13、在一个优选的实施方式中，所述信号隔离芯片u3的型号为nirsp31v；所述信号隔离芯片u3包括位于隔离前侧的r引脚、d引脚、de引脚和gnd1引脚，以及位于隔离后侧的第17引脚r2、第15引脚d2、第16引脚de2、viso引脚和gnd2引脚；

14、所述信号隔离芯片u3的r引脚连接rxd1，d引脚连接txd1，de引脚连接txen1，gnd1引脚连接usb侧地gnd；所述信号隔离芯片u3的第17引脚r2连接rxd_ttl，第15引脚d2连接txd_ttl，第16引脚de2连接txen，viso引脚连接5v_viso，gnd2引脚连接隔离后侧地gnd2；

15、所述信号隔离芯片u3通过r引脚与第17引脚r2之间的隔离通道将rxd1隔离传递为rxd_ttl，通过d引脚与第15引脚d2之间的隔离通道将txd1隔离传递为txd_ttl，通过de引脚与第16引脚de2之间的隔离通道将txen1隔离传递为txen，使rxd1、txd1和txen1位于usb侧地gnd对应的隔离前侧，使rxd_ttl、txd_ttl和txen位于隔离后侧地gnd2对应的隔离后侧。

16、在一个优选的实施方式中，所述信号隔离芯片u3的隔离前供电侧设置c13、c14和c18，所述信号隔离芯片u3的隔离后供电侧设置c15、c16和c17；c13和c16均为10μf电容，c14、c15、c17和c18均为0.1μf电容；

17、所述c13、c14和c18接入usb侧地gnd对应的隔离前供电滤波支路，用于对信号隔离芯片u3的隔离前侧供电进行储能和高频滤波；所述c15、c16和c17接入隔离后侧地gnd2对应的隔离后供电滤波支路，用于对5v_viso所在隔离后供电进行储能和高频滤波；

18、所述信号隔离芯片u3还连接r3和r10，r3和r10均为0ω电阻，并接入信号隔离芯片u3的隔离后侧配置连接支路。

19、在一个优选的实施方式中，所述rs485收发器u2的型号为um13088；所述rs485收发器u2包括ro引脚、re引脚、de引脚、di引脚、gnd引脚、a引脚、b引脚和vcc引脚；

20、所述rs485收发器u2的vcc引脚连接5v_viso，gnd引脚连接隔离后侧地gnd2，ro引脚连接rxd_ttl，di引脚连接txd_ttl，re引脚和de引脚均连接txen，a引脚连接rs485-a，b引脚连接rs485-b；

21、所述txen由txen1经信号隔离芯片u3隔离后形成，并作为隔离后的硬件收发使能信号同时输入rs485收发器u2的re引脚和de引脚；在rs485收发器u2处于发送状态时，txd_ttl经di引脚输入rs485收发器u2，并经a引脚和b引脚输出为rs485-a和rs485-b差分信号；在rs485收发器u2处于接收状态时，rs485-a和rs485-b经a引脚和b引脚输入rs485收发器u2，并经ro引脚输出为rxd_ttl；

22、所述rs485收发器u2的信号侧设置r1、r2、r4和r5，r1、r2、r4和r5均为4.7k电阻，用于形成rs485收发器u2相关信号端和rs485差分端的电平偏置；所述rs485收发器u2的供电侧设置c5，c5为0.1μf电容并接入5v_viso与隔离后侧地gnd2之间的去耦支路。

23、在一个优选的实施方式中，所述rs485端口防护匹配电路包括d1、d2、d8、d9、r12、c19和c20；d1和d2均为smbj6.5ca瞬态抑制器件，d8和d9均为gdt气体放电管，r12为120ω端接匹配电阻，c19和c20均为100pf电容；

24、所述d1接入rs485-a所在的瞬态电压抑制支路，所述d2接入rs485-b所在的瞬态电压抑制支路；所述d8接入rs485-a与隔离后侧地gnd2之间的浪涌泄放支路，所述d9接入rs485-b与隔离后侧地gnd2之间的浪涌泄放支路；

25、所述r12连接于rs485-a与rs485-b之间，用于形成rs485差分端接匹配；所述c19连接于rs485-a与隔离后侧地gnd2之间，所述c20连接于rs485-b与隔离后侧地gnd2之间，用于对rs485端口侧高频干扰进行滤波；所述rs485-a和rs485-b经所述rs485端口防护匹配电路后连接至p3.5按压式接线端子j2。

26、在一个优选的实施方式中，还包括状态指示电路，所述状态指示电路包括d3、d4、d5、r7、r8和r9；d3为黄色接收指示灯，d4为绿色发送指示灯，d5为蓝色上电指示灯，r7和r8均为499ω电阻，r9为1kω电阻；

27、所述d3通过r7接入rx-led所在接收状态指示支路，rx-led连接usb转串口通讯芯片u4的gpio1/spisclk引脚；所述d4通过r8接入tx-led所在发送状态指示支路，tx-led连接usb转串口通讯芯片u4的gpio0/spics引脚；所述d5通过r9接入vbus与usb侧地gnd之间的上电状态指示支路，用于显示usb转rs485隔离串口通讯模块的上电状态。

28、在一个优选的实施方式中，所述usb转串口通讯芯片u4通过gpio17/txen引脚输出的txen1依据txd1的发送状态变化；当usb转串口通讯芯片u4通过txd/gpio8引脚输出txd1对应的发送数据时，gpio17/txen引脚输出处于发送使能状态的txen1，txen1经信号隔离芯片u3隔离后形成txen，txen同时输入rs485收发器u2的re引脚和de引脚，使rs485收发器u2在txd_ttl输入di引脚期间保持发送状态；当txd1对应的发送数据输出结束时，gpio17/txen引脚使txen1切换至接收使能状态，txen经信号隔离芯片u3同步切换，使rs485收发器u2退出发送状态并进入接收状态；

29、所述txen1、txen、re引脚和de引脚形成由usb转串口通讯芯片u4至rs485收发器u2的硬件收发使能链路，所述硬件收发使能链路不经由独立主控芯片形成的延时控制支路和外部方向控制支路，使rs485收发器u2的发送状态和接收状态依据txd1的发送状态完成硬件切换。

30、在一个优选的实施方式中，所述rs485端口防护匹配电路在rs485-a和rs485-b受到外部瞬态干扰时，d1和d2所在的瞬态电压抑制支路对rs485-a和rs485-b上的瞬态电压进行钳位，d8和d9所在的浪涌泄放支路将rs485-a、rs485-b上的浪涌能量泄放至隔离后侧地gnd2，c19和c20所在的高频滤波支路将rs485-a、rs485-b上的高频干扰分量旁路至隔离后侧地gnd2；

31、所述r12连接于rs485-a与rs485-b之间，并在d1、d2、d8、d9、c19和c20执行瞬态电压抑制、浪涌泄放和高频滤波的过程中，维持rs485-a与rs485-b之间的差分端接匹配，使rs485-a和rs485-b经p3.5按压式接线端子j2接入外部rs485线路时同时形成端口防护和差分信号匹配。

32、本发明的技术效果和优点：

33、1、通过u4输出rxd1、txd1和txen1，并由u3分别隔离传递为rxd_ttl、txd_ttl和txen，使数据接收信号、数据发送信号和收发使能信号均跨越隔离边界传递；同时，usb侧采用gnd作为参考地，rs485侧采用gnd2作为参考地，使rs485侧静电、浪涌和共模干扰不易沿数据通路或地回路进入usb侧；txen经隔离后仍能够直接控制u2的re引脚和de引脚，因此在实现usb侧与rs485侧电气隔离的同时，仍能够保持rs485收发方向的硬件控制关系，从而兼顾隔离安全性和半双工收发稳定性；

34、2、通过txen1经u3隔离形成txen，并由txen直接连接u2的re引脚和de引脚，使rs485收发器u2的发送状态和接收状态随txd1对应的发送状态完成硬件切换；相比通过软件延时、主控程序判断或外部方向控制脚进行收发切换，能够减少发送使能释放滞后和接收使能开启不及时造成的数据前沿丢失，同时避免因人为设置延时时间而降低总线交互效率；

35、3、通过d1、d2、d8、d9、c19、c20和r12共同组成rs485端口防护匹配电路，使瞬态电压钳位、浪涌泄放、高频滤波和差分端接匹配在同一rs485端口协同完成，在外部线路接入工业现场时，能够相对降低静电、浪涌、高频干扰和信号反射对通讯链路的影响；

36、4、通过l1、d12、c6、c21和c22构成usb输入侧防护滤波结构，使进入u4的usb供电和usb差分信号先经过防护和滤波后再进行usb转ttl转换，能够相对降低供电波动和高频干扰对usb识别及串口通讯稳定性的影响；

37、5、通过d3、d4和d5分别对应模块的接收状态、发送状态和上电状态，使模块运行状态能够直接进行现场观察，有利于快速判断供电状态及通讯状态，降低现场维护和故障定位难度。