RS-485 數(shù)據(jù)速率獨(dú)立型半雙工中繼器設(shè)計

21ic訊工程師們經(jīng)常面臨的一個問題是，如何為 RS-485 應(yīng)用設(shè)計一款非數(shù)據(jù)速率依賴型半雙工中繼器。例如，通過給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)添加分接頭，設(shè)計一款超出建議最大線纜長度 (1200m) 的遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)，或者設(shè)計一款星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。各種系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)速率并不相同，從 10 kbps 到 200 kbps，不一而足。

遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間的接地電位差 (GPD) 所產(chǎn)生的電壓，超出了大多數(shù)總線收發(fā)器的最大共模電壓范圍，因此必須在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電子組件和總線之間實施電隔離。

線纜長度與數(shù)據(jù)速率的對比特性表明，應(yīng)使用 1200m(4000英尺)的最大線纜長度(圖 1)。使用該長度時，常用 120-Ω、AWG24 無屏蔽雙絞線 (UTP) 的電阻接近端電阻器值，并使總線信號擺幅減小一半(6 dB)。

圖 1 線纜長度與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

在 RS-485 技術(shù)文獻(xiàn)中，為了簡便起見，收發(fā)器產(chǎn)品說明書通常會介紹一種全雙工中繼器設(shè)計。但是，在遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)千個儀表都使用全雙工線纜并不可取，因為線纜和配線都非常的昂貴。

為了實施一款更遠(yuǎn)距離的半雙工模式遠(yuǎn)距傳輸網(wǎng)絡(luò)，我們必須安裝一個半雙工中繼器。圖 2 顯示了一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由于半雙工中繼器連接至兩個總線段，該中繼器必須包含兩個獨(dú)立的收發(fā)器，每個收發(fā)器都經(jīng)由信號隔離器連接至其各自總線，并連接至一個隔離于兩個收發(fā)器部分的控制邏輯。該控制邏輯及時關(guān)閉和開啟中繼器的驅(qū)動器和接收機(jī)部分。任意方向的發(fā)來數(shù)據(jù)信號都可對其初始化。

圖 2 雙隔離半雙工中繼器總線擴(kuò)展

兩種最為常用的時序控制方法是圖 3 所示單觸發(fā)電路和圖 4 所示時延反相緩沖器電路。為了確保正確的開關(guān)行為，兩種方法都要求對上電和總線閑置以后的啟動條件進(jìn)行定義。通過故障保護(hù)偏壓電阻器 RFS 可以完成這項工作，其在沒有收發(fā)器有效驅(qū)動總線時，產(chǎn)生一個大于接收機(jī)輸入敏感度 VFS > +200 mV 的故障保護(hù)電壓 VFS。

圖 3 利用一個單觸發(fā)電路實施的收發(fā)器時序控制

圖 4 利用一個反相緩沖器電路實施的收發(fā)器時序控制

完整執(zhí)行一遍單觸發(fā)電路的功能運(yùn)行順序(此處以數(shù)字編號，請參見圖 3)，清楚地說明了該中繼器的工作過程：

1、 在總線閑置期間，由于VFS，兩個中繼器端口的接收機(jī)輸出均為高電平。因此，兩個收發(fā)器在接收模式下相互牽制。

2、 接下來，端口 1 上發(fā)來數(shù)據(jù)包起始位的到達(dá)，驅(qū)動 RX1 輸出為低。這種轉(zhuǎn)變觸發(fā)單觸發(fā)電路，從而驅(qū)動其輸出為高，并激活驅(qū)動器 DR2。

3、 正確計算時間常量 RD × CD，以使該單觸發(fā)電路輸出在整個數(shù)據(jù)包時間期間都保持高態(tài)。

4、 在單觸發(fā)時間常量期間，DR2 始終驅(qū)動總線 2。XCVROUT 代表總線 2 上遠(yuǎn)程收發(fā)器的接收機(jī)輸出狀態(tài)。請注意，DR2 被激活時，上拉電阻器 RPU 拉高未激活接收機(jī) (RX2) 的輸出，以使 RX1 保持激活狀態(tài)。

這種解決方案的缺點(diǎn)是，R-C 時間常量取決于數(shù)據(jù)包長度和發(fā)送信號的數(shù)據(jù)速率。另外，單觸發(fā)電路易受噪聲瞬態(tài)的影響，容易引起偽觸發(fā)和中繼器故障。

不過，單觸發(fā)電路常用于接口橋接，例如：RS-232 到 RS-485 轉(zhuǎn)換器等。這些轉(zhuǎn)換器直接把 RS-485 網(wǎng)絡(luò)連接至老式 PC 或者 RS-232 控制機(jī)器的 RS-232 端口。

有一種更加穩(wěn)健和不依賴于數(shù)據(jù)速率的方法可以替代單觸發(fā)電路，即通過一種具有不同充電和放電時間的反相施米特 (Schmitt) 觸發(fā)緩沖器，實現(xiàn)時序控制。優(yōu)先原則是在邏輯低狀態(tài)期間主動驅(qū)動總線，并在邏輯高狀態(tài)期間關(guān)閉驅(qū)動器。然后，根據(jù)逐位原則開啟和關(guān)閉序列，從而使中繼器功能獨(dú)立于數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)包長度。

完整執(zhí)行一遍反相器控制中繼器的功能運(yùn)行順序(此處以數(shù)字編號，請參見圖4)，可以清楚地說明其運(yùn)行過程：

1、 在總線閑置期間，由于 VFS，兩個中繼器端口的接收機(jī)輸出均為高。延遲電容 CD 獲得完全充電，驅(qū)動反相器輸出為低態(tài)，以使收發(fā)器維持在接收模式下。

2、 之后，總線 1 出現(xiàn)一個低位，驅(qū)動RX1輸出為低電平，快速對 CD 放電，并激活驅(qū)動器 DR2。

3、 當(dāng)總線電壓變?yōu)檎?VBus > 200 mV)時，RX1 輸出變?yōu)楦?，其?qū)動 DR2 輸出為高，并通過 RD 對 CD 緩慢充電。必須正確計算最小時間常量(RD × CD)，以使最大電源電壓 VCC(max) 和最小正反相器輸入閾值VTH+(min) 時，延遲時間tD 超過驅(qū)動器最大低到高傳播延遲 tPLH(max)，即超出 30%。例如，電容為 CD = 100 Pf 時，RD 的要求電阻值為：

4、 根據(jù)延遲時間 (tD) 與實際數(shù)據(jù)位間隔時間的對比情況，延長驅(qū)動器激活時間，以在總線建立有效的高態(tài)信號。需在從發(fā)射模式切換至接收模式以前完成這項工作，目的是讓接收機(jī)輸出始終保持高態(tài)。由于接收機(jī)傳播延遲短于驅(qū)動器，因此接收機(jī)不可能變?yōu)榈蛻B(tài)，即使是一瞬間的低態(tài)都不可能。驅(qū)動器一旦關(guān)閉，外部故障保護(hù)電阻器便將總線 2 偏壓至 200 mV 以上，其被活躍接收機(jī)看作是一個定義高電平。