RS-485数据速率独立型半双工中继器设计 - 全文

工程师们经常面临的一个问题是，如何为 RS-485 应用设计一款非数据速率依赖型半双工中继器。例如，通过给现有网络添加分接头，设计一款超出建议最大线缆长度 (1200m) 的远距离网络，或者设计一款星型拓扑网络。各种系统所使用的数据速率并不相同，从 10 kbps 到 200 kbps，不一而足。
 
远程节点之间的接地电位差 (GPD) 所产生的电压，超出了大多数总线收发器的最大共模电压范围，因此必须在网络节点电子组件和总线之间实施电隔离。
 
《参考文献 1》中，线缆长度与数据速率的对比特性表明，应使用 1200m（4000英尺）的最大线缆长度（图 1）。使用该长度时，常用 120-Ω、AWG24 无屏蔽双绞线 (UTP) 的电阻接近端电阻器值，并使总线信号摆幅减小一半（6 dB）。
 
图 1 线缆长度与数据速率的关系

 
在 RS-485 技术文献中，为了简便起见，收发器产品说明书通常会介绍一种全双工中继器设计。但是，在远距离传输网络中，数千个仪表都使用全双工线缆并不可取，因为线缆和配线都非常的昂贵。
 
为了实施一款更远距离的半双工模式远距传输网络，我们必须安装一个半双工中继器。图 2 显示了一个系统结构图。由于半双工中继器连接至两个总线段，该中继器必须包含两个独立的收发器，每个收发器都经由信号隔离器连接至其各自总线，并连接至一个隔离于两个收发器部分的控制逻辑。该控制逻辑及时关闭和开启中继器的驱动器和接收机部分。任意方向的发来数据信号都可对其初始化。
 
图 2 双隔离半双工中继器总线扩展

 
两种最为常用的时序控制方法是图 3 所示单触发电路和图 4 所示时延反相缓冲器电路。为了确保正确的开关行为，两种方法都要求对上电和总线闲置以后的启动条件进行定义。通过故障保护偏压电阻器 R_FS 可以完成这项工作，其在没有收发器有效驱动总线时，产生一个大于接收机输入敏感度 V_FS > +200 mV 的故障保护电压 V_FS。
 
图 3 利用一个单触发电路实施的收发器时序控制

 
图 4 利用一个反相缓冲器电路实施的收发器时序控制

完整执行一遍单触发电路的功能运行顺序（此处以数字编号，请参见图 3），清楚地说明了该中继器的工作过程：
1、在总线闲置期间，由于V_FS，两个中继器端口的接收机输出均为高电平。因此，两个收发器在接收模式下相互牵制。
2、接下来，端口 1 上发来数据包起始位的到达，驱动 RX₁ 输出为低。这种转变触发单触发电路，从而驱动其输出为高，并激活驱动器 DR₂。
3、正确计算时间常量 R_D × C_D，以使该单触发电路输出在整个数据包时间期间都保持高态。
4、在单触发时间常量期间，DR₂ 始终驱动总线 2。XCVR_OUT 代表总线 2 上远程收发器的接收机输出状态。请注意，DR₂ 被激活时，上拉电阻器 R_PU 拉高未激活接收机 (RX₂) 的输出，以使 RX₁ 保持激活状态。
 
这种解决方案的缺点是，R-C 时间常量取决于数据包长度和发送信号的数据速率。另外，单触发电路易受噪声瞬态的影响，容易引起伪触发和中继器故障。
 
不过，单触发电路常用于接口桥接，例如：RS-232 到 RS-485 转换器等。这些转换器直接把 RS-485 网络连接至老式 PC 或者 RS-232 控制机器的 RS-232 端口。
 
有一种更加稳健和不依赖于数据速率的方法可以替代单触发电路，即通过一种具有不同充电和放电时间的反相施米特 (Schmitt) 触发缓冲器，实现时序控制。优先原则是在逻辑低状态期间主动驱动总线，并在逻辑高状态期间关闭驱动器。然后，根据逐位原则开启和关闭序列，从而使中继器功能独立于数据速率和数据包长度。
 
完整执行一遍反相器控制中继器的功能运行顺序（此处以数字编号，请参见图4），可以清楚地说明其运行过程：
1、在总线闲置期间，由于 V_FS，两个中继器端口的接收机输出均为高。延迟电容 C_D 获得完全充电，驱动反相器输出为低态，以使收发器维持在接收模式下。
2、之后，总线 1 出现一个低位，驱动RX₁输出为低电平，快速对 C_D 放电，并激活驱动器 DR₂。
3、当总线电压变为正（V_Bus > 200 mV）时，RX₁ 输出变为高，其驱动 DR₂ 输出为高，并通过 R_D 对 C_D 缓慢充电。必须正确计算最小时间常量（R_D × C_D），以使最大电源电压 V_CC(max) 和最小正反相器输入阈值V_TH+(min) 时，延迟时间t_D 超过驱动器最大低到高传播延迟 t_PLH(max)，即超出 30%。例如，电容为 C_D = 100 Pf 时，R_D 的要求电阻值为：

4、根据延迟时间 (t_D) 与实际数据位间隔时间的对比情况，延长驱动器激活时间，以在总线建立有效的高态信号。需在从发射模式切换至接收模式以前完成这项工作，目的是让接收机输出始终保持高态。由于接收机传播延迟短于驱动器，因此接收机不可能变为低态，即使是一瞬间的低态都不可能。驱动器一旦关闭，外部故障保护电阻器便将总线 2 偏压至 200 mV 以上，其被活跃接收机看作是一个定义高电平。
5、某个总线闲置，低位 V_OD < 1.5 V，高位之初时延 (t_D) 的 V_OD > 1.5 V，此时，总线 2 的差动输出电压为 V_OD = V_FS > +200 mV。之后，其余高位 V_OD = V_FS > +200 mV。
 
此外，XCVR_OUT代表总线 2 上远程收发器的接收机输出状态。传统中继器设计的数据速率通常被限制为 10 kbps，更短传播延迟的一些现代收发器拥有高达 100 kbps 以上的数据速率。
 
为了简便起见，到目前为止，中继器讨论始终都没有涉及电隔离这一重要内容。但是，在一些远距传输网络（中继器的主要应用领域）中，网络节点之间的大接地电位差 (GPD) 很是常见。这些 GPD 以收发器输入强共模电压的形式存在，如果不实施电隔离，它们会对器件产生破坏力。当收发器总线电路隔离于其控制电路时，总线系统独立于本地节点的接地电位。
 
图 2 显示了隔离于节点控制电路的总线节点驱动器和接收机部分。但是，就中继器而言，必须使用双隔离，因为内部控制逻辑必须隔离于总线 1 和总线 2。另外，两个总线还必须相互隔离。图 5 显示了实施这种隔离的一个中继器电路，表1列出了其材料清单 (BOM)。电路使用两个经过隔离的 RS-485 收发器，每个收发器都要求一个单独的隔离电源 V_ISO，其源自于控制部分的中央 3.3V 电源（请参见图 6）。
 
图 5 双隔离半双工中继器

 
图 6 双隔离电源设计

 
结论
中继器可用作总线扩展器或者分接头延长器。用作总线扩展器时，中继器构建一个总线的末端和另一个总线的开端。这样可以在两个端口固定安置故障保护电阻器和端接电阻器。但是，当中继器用作分接头延长器时，它可以放置在网络的任何位置。这时，应去除连接总线的端口的电阻器，但是仍然保留分接头端口的电阻器。
 
表 1 中继器信号路径材料清单