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

工程師們經(jīng)常面臨的一個(gè)問(wèn)題是，如何為 RS-485 應(yīng)用設(shè)計(jì)一款非數(shù)據(jù)速率依賴型半雙工中繼器。例如，通過(guò)給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)添加分接頭，設(shè)計(jì)一款超出建議最大線纜長(zhǎng)度 (1200m) 的遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)，或者設(shè)計(jì)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(shí)施電隔離。

《參考文獻(xiàn) 1》中，線纜長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)速率的對(duì)比特性表明，應(yīng)使用 1200m（4000英尺）的最大線纜長(zhǎng)度（圖 1）。使用該長(zhǎng)度時(shí)，常用 120-?、AWG24 無(wú)屏蔽雙絞線 (UTP) 的電阻接近端電阻器值，并使總線信號(hào)擺幅減小一半（6 dB）。

在 RS-485 技術(shù)文獻(xiàn)中，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，收發(fā)器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)通常會(huì)介紹一種全雙工中繼器設(shè)計(jì)。但是，在遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)千個(gè)儀表都使用全雙工線纜并不可取，因?yàn)榫€纜和配線都非常的昂貴。

為了實(shí)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(gè)半雙工中繼器。圖 2 顯示了一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由于半雙工中繼器連接至兩個(gè)總線段，該中繼器必須包含兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器都經(jīng)由信號(hào)隔離器連接至其各自總線，并連接至一個(gè)隔離于兩個(gè)收發(fā)器部分的控制邏輯。該控制邏輯及時(shí)關(guān)閉和開(kāi)啟中繼器的驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)部分。任意方向的發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)信號(hào)都可對(duì)其初始化。

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

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(hào)，請(qǐng)參見(jiàn)圖 3），清楚地說(shuō)明了該中繼器的工作過(guò)程：

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

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

3、正確計(jì)算時(shí)間常量 R_D × C_D，以使該單觸發(fā)電路輸出在整個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)間期間都保持高態(tài)。

4、在單觸發(fā)時(shí)間常量期間，DR₂ 始終驅(qū)動(dòng)總線 2。XCVR_OUT 代表總線 2 上遠(yuǎn)程收發(fā)器的接收機(jī)輸出狀態(tài)。請(qǐng)注意，DR₂ 被激活時(shí)，上拉電阻器 R_PU 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(shí)間常量取決于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和發(fā)送信號(hào)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(guò)，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(guò)一種具有不同充電和放電時(shí)間的反相施米特 (Schmitt) 觸發(fā)緩沖器，實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。優(yōu)先原則是在邏輯低狀態(tài)期間主動(dòng)驅(qū)動(dòng)總線，并在邏輯高狀態(tài)期間關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。然后，根據(jù)逐位原則開(kāi)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(zhǎng)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(hào)，請(qǐng)參見(jiàn)圖4），可以清楚地說(shuō)明其運(yùn)行過(guò)程：

1、在總線閑置期間，由于 V_FS，兩個(gè)中繼器端口的接收機(jī)輸出均為高。延遲電容 C_D 獲得完全充電，驅(qū)動(dòng)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(gè)低位，驅(qū)動(dòng)RX₁輸出為低電平，快速對(duì) C_D 放電，并激活驅(qū)動(dòng)器 DR₂。

3、當(dāng)總線電壓變?yōu)檎╒_Bus > 200 mV）時(shí)，RX₁ 輸出變?yōu)楦撸潋?qū)動(dòng) DR₂ 輸出為高，并通過(guò) R_D 對(duì) C_D 緩慢充電。必須正確計(jì)算最小時(shí)間常量（R_D × C_D），以使最大電源電壓 V_CC(max) 和最小正反相器輸入閾值V_TH+(min) 時(shí)，延遲時(shí)間t_D 超過(guò)驅(qū)動(dòng)器最大低到高傳播延遲 t_PLH(max)，即超出 30%。例如，電容為 C_D = 100 Pf 時(shí)，R_D 的要求電阻值為：

4、根據(jù)延遲時(shí)間 (t_D) 與實(shí)際數(shù)據(jù)位間隔時(shí)間的對(duì)比情況，延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器激活時(shí)間，以在總線建立有效的高態(tài)信號(hào)。需在從發(fā)射模式切換至接收模式以前完成這項(xiàng)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(dòng)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(dòng)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(gè)定義高電平。

5、某個(gè)總線閑置，低位 V_OD 1.5 V，高位之初時(shí)延 (t_D) 的 V_OD > 1.5 V，此時(shí)，總線 2 的差動(dòng)輸出電壓為 V_OD = V_FS > +200 mV。之后，其余高位 V_OD = V_FS > +200 mV。

此外，XCVR_OUT代表總線 2 上遠(yuǎn)程收發(fā)器的接收機(jī)輸出狀態(tài)。傳統(tǒng)中繼器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)速率通常被限制為 10 kbps，更短傳播延遲的一些現(xiàn)代收發(fā)器擁有高達(dá) 100 kbps 以上的數(shù)據(jù)速率。

為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，到目前為止，中繼器討論始終都沒(méi)有涉及電隔離這一重要內(nèi)容。但是，在一些遠(yuǎn)距傳輸網(wǎng)絡(luò)（中繼器的主要應(yīng)用領(lǐng)域）中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的大接地電位差 (GPD) 很是常見(jiàn)。這些 GPD 以收發(fā)器輸入強(qiáng)共模電壓的形式存在，如果不實(shí)施電隔離，它們會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生破壞力。當(dāng)收發(fā)器總線電路隔離于其控制電路時(shí)，總線系統(tǒng)獨(dú)立于本地節(jié)點(diǎn)的接地電位。

圖 2 顯示了隔離于節(jié)點(diǎn)控制電路的總線節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)部分。但是，就中繼器而言，必須使用雙隔離，因?yàn)閮?nèi)部控制邏輯必須隔離于總線 1 和總線 2。另外，兩個(gè)總線還必須相互隔離。圖 5 顯示了實(shí)施這種隔離的一個(gè)中繼器電路，表1列出了其材料清單 (BOM)。電路使用兩個(gè)經(jīng)過(guò)隔離的 RS-485 收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器都要求一個(gè)單獨(dú)的隔離電源 V_ISO，其源自于控制部分的中央 3.3V 電源（請(qǐng)參見(jiàn)圖 6）。

中繼器可用作總線擴(kuò)展器或者分接頭延長(zhǎng)器。用作總線擴(kuò)展器時(shí)，中繼器構(gòu)建一個(gè)總線的末端和另一個(gè)總線的開(kāi)端。這樣可以在兩個(gè)端口固定安置故障保護(hù)電阻器和端接電阻器。但是，當(dāng)中繼器用作分接頭延長(zhǎng)器時(shí)，它可以放置在網(wǎng)絡(luò)的任何位置。這時(shí)，應(yīng)去除連接總線的端口的電阻器，但是仍然保留分接頭端口的電阻器。

1、2006 年 1 月 1 日刊發(fā)的 TIA TSB-89“TIA/EIA-485-A應(yīng)用指南”。