四线制全双工RS-485中继器的设计及应用优势

1.引言

理论上RS-485的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s.但其平衡双绞线的传输距离与传输速率成反比，只有在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。要获得最高速率传输只能在很短的传输距离下连接。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s.想要保证较高传输速率，又有较远的传输距离，采用中继器是一个便捷的方法。中继器可以将较长的传输线分隔成两段，从而减低传输线的欧姆阻抗、线间电容、集肤效应等引起的信号畸变，从而保证在较高传输速率下，增加传输距离。

RS-485有两线制和四线制两种接线方式，采用二线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，只能实现点对多的全双工通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备。无论四线还是二线连接方式，总线上均可挂接多达128个设备。

以下介绍一种在长期实践的基础上，设计的实用四线制全双工RS-485中继器。

2.四线制中继器原理

中继器原理图如图1所示。其中，U1和U2是中继器的收发芯片对，负责对RS-485串行数据进行中继转发，采用Maxim公司的3.3V低功耗全双工RS-485收发器芯片MAX3491,单片待机时电流为1mA,U3、U4均采用HC型逻辑电路，待机电流更小，大大降低了整机功耗。

由于MAX3491芯片已内置网络失效保护电路，所以只需要在传输线上简单匹配120欧姆的终端电阻即可。

U3与U4按图1连接，组成两个一模一样的数据脉冲监测电路，分别监测TXD和RXD总线上是否有数据脉冲，当检测到有数据脉冲时，就会使能对应的驱动器，让数据脉冲以RS-485电平转发出去。

发送总线TXD和接收总线RXD上都没数据时，图1的Ro及To处均为高电平，Re和Te处则为低电平，对应的驱动器都关闭，为低功耗待机状态。当J1的3、4脚，即接收总线RXD上有数据时，经U2的接收器解调后由2脚输出，送到U1的驱动器的输入端5脚。同时Ro端的下降沿使得电容C1放电为低电平，经U3B后解除触发器U4A的置零状态，同时Ro端的下降沿经U3A后，使触发器U4A的置位，Re变为高电平，使能U1的驱动器将5脚输入的数据以RS-485电平转发出去。当一个数据字节传输完成时，即当在一个内定的时间间隔内Ro没有下降沿发生，经R1对C1充电到位，会令触发器U4A进入置零状态，Re变低电平令驱动器关闭，并等待下一个数据字节来临。改变R1的数值可以调整时间间隔的长短，按图1的数值时间间隔约为700μs.

同样的，发送总线TXD上有数据时，经以上的同样流程，数据亦会经由U1、U2转发出去。这样就实现了数据的双向中继传输。

由于RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，没有硬性指定接插件端子分配，应用中可以按实际灵活调整设计。图1中J1、J2端子是按照Nport5150标准的接口定义来分配的。

Nport5150的接口定义如图2所示，它支持232、422、485三种连接方式。本设计引用其中的四线制RS-485定义。

3.结语

如图1所示四线制RS485中继器，除接插件J1-J3以及电解电容用直插元件外，其余全部用贴片元件，整个电路板设计可以压缩为火柴盒大小。实体电路经过实地测试，性能满足设计要求，收到了良好的效果；采用了低功耗芯片，整机功耗很低，同时小体积的设计使它容易融合进各种工业组网应用的布线环境。