RS-485数据速率独立型半双工中继器设计

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-?、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参考文献1、2006 年 1 月 1 日刊发的 TIA TSB-89“TIA/EIA-485-A应用指南”。立即加入德州仪器技术社区