为RS-485应用设计独立型半双工中继器

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。

《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。[page]

 

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。

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VFS，两个中继器端口的接收机输出均为高。延迟电容CD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CD放电，并激活驱动器DR2。

3、 当总线电压变为正（VBus> 200 mV）时，RX1输出变为高，其驱动DR2输出为高，并通过RD对CD缓慢充电。必须正确计算最小时间常量（RD× CD），以使最大电源电压VCC(max)和最小正反相器输入阈值VTH+(min)时，延迟时间tD超过驱动器最大低到高传播延迟tPLH(max)，即超出30%。例如，电容为CD= 100 Pf 时，RD的要求电阻值为：

4、 根据延迟时间(tD)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。[page]

5、 某个总线闲置，低位VOD 1.5 V，高位之初时延 (tD)的VOD>1.5 V，此时，总线2的差动输出电压为VOD=VFS> +200 mV。之后，其余高位VOD= VFS> +200 mV


此外，XCVROUT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VISO，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