工程師難題：如何為RS-485應用設計半雙工中繼器？ - 全文

　　工程師們經常面臨的一個問題是，如何為RS-485應用設計一款非數據速率依賴型半雙工中繼器。例如，通過給現有網絡添加分接頭，設計一款超出建議最大線纜長度（1200m）的遠距離網絡，或者設計一款星型拓撲網絡。各種系統所使用的數據速率并不相同，從10 kbps到200 kbps，不一而足。

　　遠程節點之間的接地電位差（GPD）所產生的電壓，超出了大多數總線收發器的最大共模電壓范圍，因此必須在網絡節點電子組件和總線之間實施電隔離。

　　線纜長度與數據速率的對比特性表明，應使用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：線纜長度與數據速率的關系

　　在RS-485技術文獻中，為了簡便起見，收發器產品說明書通常會介紹一種全雙工中繼器設計。但是，在遠距離傳輸網絡中，數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。

　　為了實施一款更遠距離的半雙工模式遠距傳輸網絡，我們必須安裝一個半雙工中繼器。圖2顯示了一個系統結構圖。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立的收發器，每個收發器都經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器部分的控制邏輯。該控制邏輯及時關閉和開啟中繼器的驅動器和接收機部分。任意方向的發來數據信號都可對其初始化。

　　圖2：雙隔離半雙工中繼器總線擴展

　　兩種最為常用的時序控制方法是圖3所示單觸發電路和圖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行定義。通過故障保護偏壓電阻器RFS可以完成這項工作，其在沒有收發器有效驅動總線時，產生一個大于接收機輸入敏感度VFS》 +200 mV的故障保護電壓VFS。

　　圖3：利用一個單觸發電路實施的收發器時序控制

　　圖4：利用一個反相緩沖器電路實施的收發器時序控制

　　完整執行一遍單觸發電路的功能運行順序（此處以數字編號，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輸出均為高電平。因此，兩個收發器在接收模式下相互牽制。

　　2、接下來，端口1上發來數據包起始位的到達，驅動RX1輸出為低。這種轉變觸發單觸發電路，從而驅動其輸出為高，并激活驅動器DR2。

　　3、正確計算時間常量RD× CD，以使該單觸發電路輸出在整個數據包時間期間都保持高態。

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

　　這種解決方案的缺點是，R-C時間常量取決于數據包長度和發送信號的數據速率。另外，單觸發電路易受噪聲瞬態的影響，容易引起偽觸發和中繼器故障。

　　不過，單觸發電路常用于接口橋接，例如：RS-232到RS-485轉換器等。這些轉換器直接把RS-485網絡連接至老式PC或者RS-232控制機器的RS-232端口。

　　有一種更加穩健和不依賴于數據速率的方法可以替代單觸發電路，即通過一種具有不同充電和放電時間的反相施米特（Schmitt）觸發緩沖器，實現時序控制。優先原則是在邏輯低狀態期間主動驅動總線，并在邏輯高狀態期間關閉驅動器。然后，根據逐位原則開啟和關閉序列，從而使中繼器功能獨立于數據速率和數據包長度。

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

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

　　2、之后，總線1出現一個低位，驅動RX1輸出為低電平，快速對CD放電，并激活驅動器DR2。

　　3、當總線電壓變為正（VBus》 200 mV）時，RX1輸出變為高，其驅動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、根據延遲時間（tD）與實際數據位間隔時間的對比情況，延長驅動器激活時間，以在總線建立有效的高態信號。需在從發射模式切換至接收模式以前完成這項工作，目的是讓接收機輸出始終保持高態。由于接收機傳播延遲短于驅動器，因此接收機不可能變為低態，即使是一瞬間的低態都不可能。驅動器一旦關閉，外部故障保護電阻器便將總線2偏壓至200 mV以上，其被活躍接收機看作是一個定義高電平。

　　5、某個總線閑置，低位VOD《 1.5 V，高位之初時延（tD）的VOD》1.5 V，此時，總線2的差動輸出電壓為VOD=VFS》 +200 mV。之后，其余高位VOD= VFS》 +200 mV

　　此外，XCVROUT代表總線2上遠程收發器的接收機輸出狀態。傳統中繼器設計的數據速率通常被限制為10 kbps，更短傳播延遲的一些現代收發器擁有高達100 kbps以上的數據速率。

　　為了簡便起見，到目前為止，中繼器討論始終都沒有涉及電隔離這一重要內容。但是，在一些遠距傳輸網絡（中繼器的主要應用領域）中，網絡節點之間的大接地電位差（GPD）很是常見。這些GPD以收發器輸入強共模電壓的形式存在，如果不實施電隔離，它們會對器件產生破壞力。當收發器總線電路隔離于其控制電路時，總線系統獨立于本地節點的接地電位。

　　圖2顯示了隔離于節點控制電路的總線節點驅動器和接收機部分。但是，就中繼器而言，必須使用雙隔離，因為內部控制邏輯必須隔離于總線1和總線2。另外，兩個總線還必須相互隔離。圖5顯示了實施這種隔離的一個中繼器電路，表1列出了其材料清單（BOM）。電路使用兩個經過隔離的RS-485收發器，每個收發器都要求一個單獨的隔離電源VISO，其源自于控制部分的中央3.3V電源（請參見圖 6）。