RS-485 數據速率獨立型半雙工中繼器設計
發布時間:2012-10-12 來源:電子元件技術網 責任編輯:admin
導讀:在(zai)遠(yuan)距(ju)離(li)傳(chuan)輸(shu)網(wang)絡(luo)中(zhong),數(shu)千(qian)個(ge)儀(yi)表(biao)都(dou)使(shi)用(yong)全(quan)雙(shuang)工(gong)線(xian)纜(lan)並(bing)不(bu)可(ke)取(qu),為(wei)了(le)實(shi)施(shi)一(yi)款(kuan)更(geng)遠(yuan)距(ju)離(li)的(de)半(ban)雙(shuang)工(gong)模(mo)式(shi)遠(yuan)距(ju)傳(chuan)輸(shu)網(wang)絡(luo),我(wo)們(men)必(bi)須(xu)安(an)裝(zhuang)一(yi)個(ge)半(ban)雙(shuang)工(gong)中繼器。本文詳細介紹RS-485 數據速率獨立型半雙工中繼器的設計方案。
在 RS-485 yibandejishuwenxianzhong,weilejianbianqijian,shoufaqichanpinshuomingshutongchanghuijieshaoyizhongquanshuanggongzhongjiqisheji。danshi,zaiyuanjulichuanshuwangluozhong,shuqiangeyibiaodoushiyongquanshuanggongxianlanbingbukequ,yinweixianlanhepeixiandoufeichangdeanggui。
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 1 顯(xian)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)圖(tu)。由(you)於(yu)半(ban)雙(shuang)工(gong)中(zhong)繼(ji)器(qi)連(lian)接(jie)至(zhi)兩(liang)個(ge)總(zong)線(xian)段(duan),該(gai)中(zhong)繼(ji)器(qi)必(bi)須(xu)包(bao)含(han)兩(liang)個(ge)獨(du)立(li)的(de)收(shou)發(fa)器(qi),每(mei)個(ge)收(shou)發(fa)器(qi)都(dou)經(jing)由(you)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)連(lian)接(jie)至(zhi)其(qi)各(ge)自(zi)總(zong)線(xian),並(bing)連(lian)接(jie)至(zhi)一(yi)個(ge)隔(ge)離(li)於(yu)兩(liang)個(ge)收(shou)發(fa)器(qi)部(bu)分(fen)的(de)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)。該(gai)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)及(ji)時(shi)關(guan)閉(bi)和(he)開(kai)啟(qi)中(zhong)繼(ji)器(qi)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)機(ji)部(bu)分(fen)。任(ren)意(yi)方(fang)向(xiang)的(de)發(fa)來(lai)數(shu)據(ju)信(xin)號(hao)都(dou)可(ke)對(dui)其(qi)初(chu)始(shi)化(hua)。

圖1 雙隔離半雙工中繼器總線擴展
兩種最為常用的時序控製方法是圖 3 所示單觸發電路和圖 4 所(suo)示(shi)時(shi)延(yan)反(fan)相(xiang)緩(huan)衝(chong)器(qi)電(dian)路(lu)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)正(zheng)確(que)的(de)開(kai)關(guan)行(xing)為(wei),兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)都(dou)要(yao)求(qiu)對(dui)上(shang)電(dian)和(he)總(zong)線(xian)閑(xian)置(zhi)以(yi)後(hou)的(de)啟(qi)動(dong)條(tiao)件(jian)進(jin)行(xing)定(ding)義(yi)。通(tong)過(guo)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)偏(pian)壓(ya)電(dian)阻(zu)器(qi) RFS 可以完成這項工作,其在沒有收發器有效驅動總線時,產生一個大於接收機輸入敏感度 VFS > +200 mV 的故障保護電壓 VFS。

圖2 利用一個單觸發電路實施的收發器時序控製

圖3 利用一個反相緩衝器電路實施的收發器時序控製
完整執行一遍單觸發電路的功能運行順序(此處以數字編號,請參見圖 3),清楚地說明了該中繼器的工作過程:
在總線閑置期間,由於VFS,兩個中繼器端口的接收機輸出均為高電平。因此,兩個收發器在接收模式下相互牽製。
接下來,端口 1 上發來數據包起始位的到達,驅動 RX1 輸出為低。這種轉變觸發單觸發電路,從而驅動其輸出為高,並激活驅動器 DR2。
正確計算時間常量 RD × CD,以使該單觸發電路輸出在整個數據包時間期間都保持高態。
在單觸發時間常量期間,DR2 始終驅動總線 2。XCVROUT 代表總線 2 上遠程收發器的接收機輸出狀態。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。
這種解決方案的缺點是,R-C 時間常量取決於數據包長度和發送信號的數據速率。另外,單觸發電路易受噪聲瞬態的影響,容易引起偽觸發和中繼器故障。
不過,單觸發電路常用於接口橋接,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 控製機器的 RS-232 端口。
有一種更加穩健和不依賴於數據速率的方法可以替代單觸發電路,即通過一種具有不同充電和放電時間的反相施米特 (Schmitt) chufahuanchongqi,shixianshixukongzhi。youxianyuanzeshizailuojidizhuangtaiqijianzhudongqudongzongxian,bingzailuojigaozhuangtaiqijianguanbiqudongqi。ranhou,genjuzhuweiyuanzekaiqiheguanbixulie,congershizhongjiqigongnengduliyushujusulvheshujubaochangdu。
完整執行一遍反相器控製中繼器的功能運行順序(此處以數字編號,請參見圖4),可以清楚地說明其運行過程:
在總線閑置期間,由於 VFS,兩個中繼器端口的接收機輸出均為高。延遲電容 CD 獲得完全充電,驅動反相器輸出為低態,以使收發器維持在接收模式下。
之後,總線 1 出現一個低位,驅動RX1輸出為低電平,快速對 CD 放電,並激活驅動器 DR2。
當總線電壓變為正(VBus > 200 mV)時,RX1 輸出變為高,其驅動 DR2 輸出為高,並通過 RD 對 CD 緩慢充電。必須正確計算最小時間常量(RD × CD),以使最大電源電壓 VCC(max) 和最小正反相器輸入閾值VTH+(min) 時,延遲時間tD 超過驅動器最大低到高傳播延遲 tPLH(max),即超出 30%。例如,電容為 CD = 100 Pf 時,RD 的要求電阻值為:

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根據延遲時間 (tD) 與(yu)實(shi)際(ji)數(shu)據(ju)位(wei)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)的(de)對(dui)比(bi)情(qing)況(kuang),延(yan)長(chang)驅(qu)動(dong)器(qi)激(ji)活(huo)時(shi)間(jian),以(yi)在(zai)總(zong)線(xian)建(jian)立(li)有(you)效(xiao)的(de)高(gao)態(tai)信(xin)號(hao)。需(xu)在(zai)從(cong)發(fa)射(she)模(mo)式(shi)切(qie)換(huan)至(zhi)接(jie)收(shou)模(mo)式(shi)以(yi)前(qian)完(wan)成(cheng)這(zhe)項(xiang)工(gong)作(zuo),目(mu)的(de)是(shi)讓(rang)接(jie)收(shou)機(ji)輸(shu)出(chu)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)高(gao)態(tai)。由(you)於(yu)接(jie)收(shou)機(ji)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)短(duan)於(yu)驅(qu)動(dong)器(qi),因(yin)此(ci)接(jie)收(shou)機(ji)不(bu)可(ke)能(neng)變(bian)為(wei)低(di)態(tai),即(ji)使(shi)是(shi)一(yi)瞬(shun)間(jian)的(de)低(di)態(tai)都(dou)不(bu)可(ke)能(neng)。驅(qu)動(dong)器(qi)一(yi)旦(dan)關(guan)閉(bi),外(wai)部(bu)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)電(dian)阻(zu)器(qi)便(bian)將(jiang)總(zong)線(xian) 2 偏壓至 200 mV 以上,其被活躍接收機看作是一個定義高電平。
某個總線閑置,低位 VOD < 1.5 V,高位之初時延 (tD) 的 VOD > 1.5 V,此時,總線 2 的差動輸出電壓為 VOD = VFS > +200 mV。之後,其餘高位 VOD = VFS > +200 mV。
此外,XCVROUT代表總線 2 上遠程收發器的接收機輸出狀態。傳統中繼器設計的數據速率通常被限製為 10 kbps,更短傳播延遲的一些現代收發器擁有高達 100 kbps 以上的數據速率。
為了簡便起見,到目前為止,中繼器討論始終都沒有涉及電隔離這一重要內容。但是,在一些遠距傳輸網絡(中繼器的主要應用領域)中,網絡節點之間的大接地電位差 (GPD) 很是常見。這些 GPD yishoufaqishuruqianggongmodianyadexingshicunzai,ruguobushishidiangeli,tamenhuiduiqijianchanshengpohuaili。dangshoufaqizongxiandianlugeliyuqikongzhidianlushi,zongxianxitongduliyubendijiediandejiedidianwei。
圖1xianshilegeliyujiediankongzhidianludezongxianjiedianqudongqihejieshoujibufen。danshi,jiuzhongjiqieryan,bixushiyongshuanggeli,yinweineibukongzhiluojibixugeliyuzongxian 1 和總線 2。另外,兩個總線還必須相互隔離。圖 4 顯示了實施這種隔離的一個中繼器電路。電路使用兩個經過隔離的 RS-485 收發器,每個收發器都要求一個單獨的隔離電源 VISO,其源自於控製部分的中央 3.3V 電源(請參見圖5)。

圖4 雙隔離半雙工中繼器

圖5 雙隔離電源設計
中(zhong)繼(ji)器(qi)可(ke)用(yong)作(zuo)總(zong)線(xian)擴(kuo)展(zhan)器(qi)或(huo)者(zhe)分(fen)接(jie)頭(tou)延(yan)長(chang)器(qi)。用(yong)作(zuo)總(zong)線(xian)擴(kuo)展(zhan)器(qi)時(shi),中(zhong)繼(ji)器(qi)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)總(zong)線(xian)的(de)末(mo)端(duan)和(he)另(ling)一(yi)個(ge)總(zong)線(xian)的(de)開(kai)端(duan)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)在(zai)兩(liang)個(ge)端(duan)口(kou)固(gu)定(ding)安(an)置(zhi)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)電(dian)阻(zu)器(qi)和(he)端(duan)接(jie)電(dian)阻(zu)器(qi)。但(dan)是(shi),當(dang)中(zhong)繼(ji)器(qi)用(yong)作(zuo)分(fen)接(jie)頭(tou)延(yan)長(chang)器(qi)時(shi),它(ta)可(ke)以(yi)放(fang)置(zhi)在(zai)網(wang)絡(luo)的(de)任(ren)何(he)位(wei)置(zhi)。這(zhe)時(shi),應(ying)去(qu)除(chu)連(lian)接(jie)總(zong)線(xian)的(de)端(duan)口(kou)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi),但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)保(bao)留(liu)分(fen)接(jie)頭(tou)端(duan)口(kou)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi)。
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