追求更高的數據吞吐量、更短的響應時間和更低的安裝成本，是推動工業網絡設計持續改進的驅動力。因此，在點對點連接中，為了允許即時和連續地交換二進制數據，全雙工總線已經成為首選接口。與一次僅在一個方向上發送或接收數據的半雙工接口不同，全雙工接口同時在兩個方向上發送或接收數據。然而，全雙工接口帶來迅捷性的代價是需要更多的電纜，安裝成本也更高（參見圖1）

圖 1. 全雙工接口需要使用的電纜量是半雙工接口的一倍

為了抵消這種缺點，RS-485 用戶決定采用一種允許在單條雙絞線電纜上傳輸全雙工數據的新型接口。

這種新型點對點接口違反了RS-485在任何時候都要避免總線爭用的基本原則之一，通過保持兩個全雙工收發器始終啟動，依靠總線爭用運行。

為了增強接口的抗噪聲性能，這類收發器是電氣隔離的。這樣就可保持總線免受共模噪聲影響，從而可在共模電壓高達±600V、有電噪聲的環境中，確保可靠的數據傳輸。

通過單個信號對進行全雙工通信需要在收發器之間進行 4 線至 2 線轉換，并要求總線電纜能夠區分進來（接收）的數據和出去（發送）的數據（參見圖 2）。

圖 2. 通過單條雙絞線進行全雙工傳輸需要 4 線至 2 線轉換

4 線至 2 線轉換器的設計是比較難辦的部分。盡管有解決數字化數據隔離問題的電路，但是這類電路元件數量多，PCB 布局復雜，因此設計成本相當高。這種方法還有一個很大的缺點：這種電路只能在低噪聲實驗室環境中運行。此外，電路如果暴露于高共模電壓之中，會導致電路停止運行。

為了向設計師提供可靠的高速解決方案，通過100米長的電纜以4Mbps速率傳輸數據，同時承受高共模電壓，本文討論了一種總線節點設計，該設計由1個隔離式全雙工收發器和6個電阻構成，執行電流限制、線路終接和4線至2線轉換。

在總線節點設計中，有3個主要方面需要考慮（參見圖3）：

• 電流限制：因為兩個收發器都持續運行，就會發生總線爭用，導致較大的差分電流。此外，收發器接地線之間有很大的地電位差，這也會導致較大的共模電流流過。為了防止驅動器過載并最終導致熱關斷，必須在驅動器輸出路徑中放置電流限制電阻（R_S）。

• 總線節點終接：為了防止信號在線路上的反射，總線節點阻抗與總線電纜的特性阻抗必須匹配。這種匹配是通過終端電阻R_T實現的。

• 4線至2線轉換：由總線電阻（R_B）、驅動器輸出電阻（R_D）和接收器輸入阻抗（R_IN）組成的電阻分壓器從總線上的全雙工數據中提取接收信號。

圖3. 總線節點設計的3個主要方面

驅動器輸出參數 R₀和 V₀

因為兩個驅動器始終保持運行，那么它們的輸出阻抗 (R_O) 和差分電動勢 (V₀) 就會影響所有電阻值和總線上電壓關系的計算。通過驅動器的 V-I 特性畫一條最適合的直線，就可以迅速確定這兩個參數，收發器數據表中通常提供該特性。就圖 4 所示的收發器而言，這些參數為 V₀ = 4.5V 和 R_O = V₀/I_O = 50?。

圖 4. 用 RO = 50? 和 VO = 4.5V 確定驅動器輸出特性

電流限制電阻R_S

計算R_S的值，以便在兩個驅動器輸出電壓之差處于最大值時，將其電流限制在正常工作時的值。例如，如果兩個驅動器的輸出極性相反，那么它們之間的典型電壓差為 3.3V。若將輸出電流限制到約30mA，就需要3.3V/30mA=110?的總電阻，即每個R_S為55?。使用工具箱中標準值最接近的電阻，每個R_S就變成了60.4 ?。

圖5. 單端、點對點數據鏈路

線路終接

為了防止總線上的信號反射，總線節點的輸入阻抗必須與電纜特性阻抗Z_O匹配。這意味著，終接電阻（R_T）與由兩個R_S電阻和驅動器輸出阻抗（R_O）組成的串聯電路并聯后，總阻抗應該等于Z_O。

因為R_T是調節總線節點阻抗使其接近Z_O的惟一選擇，那么我們就從等式1中求出R_T：

在等式2中代入R_S = 60.4?、R_O = 50?和Z₀ = 100?（就CAT-5電纜而言）這些值，得出的結果為241?，從E-96系列標準電阻值中選擇下一個稍高的值，那么Z₀ = 243?。

4線至2線轉換

4線至2線轉換器使總線節點能夠從總線上的全雙工信號中，提取相反方向總線節點的輸出信號，它是通過從總線電壓減去其自身驅動器輸出做到的。?注意看節點1（參見圖6），我們以G₁和G₂作為通用增益系數建立了總線電壓V_B1的等式。

從中解出V_D2分量，我們就可得到總線節點2衰減后的輸出：

電路方面，等式4可以用多個差分放大器實現。每個放大器級都需要4個增益電阻，元件數量顯著增加，因此這種解決方案是一種成本較高且復雜的設計。

圖6. V_B1= V_D1 x G₁ + V_D2 x G₂

不過，如果我們將V_D1 和 V_B1 分解成各自的線電壓（V_D1= V_Y – V_Z，V_B1 = V_P – V_N），并通過電阻分壓器（參見圖7）加上這兩個電壓，那么我們就可以在求和點處將這些電壓定義成接收器輸入電壓V_A和 V_B：

其中，G_V1 和 G_V2 是分壓器的通用增益系數。

圖7. 分壓器實現電壓求和

然后，求出V_A – V_B之差，就得到了實際的接收器輸入電壓：

比較等式4和等式5的增益系數，得出G₁= G_V1、G₂ = G_V1x G_V2和G_V2= 1，這證明分壓器概念是有效的。就實際應用而言，必須考慮接收器輸入阻抗（R_IN），因為它會導致增益系數降低。為了將 R_IN 的影響降到最低，建議使RB值小于0.1 R_IN，但是大于1k?，以保持較低的差分總線負載：

R_B/R_D之比應該等于V_B1/V_D1之比，即G₁，因此要求R_D= R_B/G₁。不過，G₁是L（總線電纜長度）、R_S、R_T和Z₀的非線性函數，因此產生了一個復雜的代數表達式。為省去讀者了解代數表達式細節的麻煩，等式7為計算R_D的最終表達式：

其中L是電纜長度，單位是英尺。

圖8和圖9顯示了100米CAT-5電纜上4Mbps高速全雙工數據鏈路的設計和波形截圖。每個總線節點都包括一個隔離式4Mbps全雙工收發器和一個R_S = 60.4?、R_D = 2.49k?、R_B = 1k?和R_T = 243?的電阻網絡。

請注意，從DE及DI引腳到正電源應用10k?上拉電阻，可在總線空閑時和本地控制器的發送輸出為高阻抗時，使驅動器輸出保持高水平。

圖8. 通過單條100米CAT-5電纜鏈路，在節點1以2Mbps數據速率和在節點2以4Mbps數據速率進行全雙工數據傳輸

驅動器輸入由不同數據速率的邏輯信號提供。D1和D2以隨機相移分別接受2Mbps信號和4Mbps信號。圖9顯示，節點2（R2）的接收器輸出正確顯示了D1的輸入數據，反之亦然。R1顯示D2的輸入數據。

圖9. 正確解碼的全雙工2Mbps和4Mbps數據

通過4線至2線轉換器，實現了在單條雙絞線電纜上發送全雙工數據，將全雙工收發器的4引腳總線I/O連接到2個總線電纜連接器上。為了實現簡單、低成本的總線節點設計，可以采用分壓器從總線上的全雙工混合信號中提取接收信號。除了本文討論的采用隔離式全雙工收發器ISL32705E的高速數據鏈路，Intersil另外還提供廣泛的針對各種數據速率、輸出驅動和共模電壓的全雙工收發器。

TomKugelstadt是瑞薩電子的首席應用工程師，負責定義新型高性能模擬產品和開發用于檢測和調理工業系統中的低電平信號的完整系統解決方案。他畢業于德國法蘭克福應用技術大學的工程學，在模擬電路設計領域有超過30年經驗。