工程師難題：如何為RS-485應用設計半雙工中繼器？

　　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(shù)據(jù)速率依賴型半雙工中繼器。例如，通過給現(xiàn)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(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)速率并不相同，從10 kbps到200 kbps，不一而足。

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

　　線纜長度與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率的關系

　　在RS-485技術文獻中，為了簡便起見，收發(fā)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(shù)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(tǒng)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(fā)器，每個收發(fā)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(fā)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(fā)來數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)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(fā)電路實施的收發(fā)器時序控制

　　圖4：利用一個反相緩沖器電路實施的收發(fā)器時序控制

　　完整執(zhí)行一遍單觸發(fā)電路的功能運行順序（此處以數(shù)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(fā)器在接收模式下相互牽制。

　　2、 接下來，端口1上發(fā)來數(shù)據(jù)包起始位的到達，驅動RX1輸出為低。這種轉變觸發(fā)單觸發(fā)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(fā)電路輸出在整個數(shù)據(jù)包時間期間都保持高態(tài)。

　　4、 在單觸發(fā)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(fā)器的接收機輸出狀態(tài)。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(tài)。

　　這種解決方案的缺點是，R-C時間常量取決于數(shù)據(jù)包長度和發(fā)送信號的數(shù)據(jù)速率。另外，單觸發(fā)電路易受噪聲瞬態(tài)的影響，容易引起偽觸發(fā)和中繼器故障。

　　不過，單觸發(fā)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(wěn)健和不依賴于數(shù)據(jù)速率的方法可以替代單觸發(fā)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(fā)緩沖器，實現(xiàn)時序控制。優(yōu)先原則是在邏輯低狀態(tài)期間主動驅動總線，并在邏輯高狀態(tài)期間關閉驅動器。然后，根據(jù)逐位原則開啟和關閉序列，從而使中繼器功能獨立于數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)包長度。