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-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 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。