工程师难题：如何为RS-485应用设计半双工中继器？

　　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。

　　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RFS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VFS》 +200 mV的故障保护电压VFS。

　　

　　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VFS，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RD× CD，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。XCVROUT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RPU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。