工程師們經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)絡，或者設計一款星型拓撲網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)絡節(jié)點電子組件和總線之間實施電隔離。
《參考文獻 1》中，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-?、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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(chǎn)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(wǎng)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。
完整執(zhí)行一遍反相器控制中繼器的功能運行順序(此處以數(shù)字編號，請參見圖4)，可以清楚地說明其運行過程：
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。延遲電容 CD 獲得完全充電，驅動反相器輸出為低態(tài)，以使收發(fā)器維持在接收模式下。
2、之后，總線 1 出現(xiàn)一個低位，驅動RX1輸出為低電平，快速對 CD 放電，并激活驅動器 DR2。
3、當總線電壓變?yōu)檎?VBus > 200 mV)時，RX1 輸出變?yōu)楦撸潋寗?DR2 輸出為高，并通過 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：
4、根據(jù)延遲時間 (tD) 與實際數(shù)據(jù)位間隔時間的對比情況，延長驅動器激活時間，以在總線建立有效的高態(tài)信號。需在從發(fā)射模式切換至接收模式以前完成這項工作，目的是讓接收機輸出始終保持高態(tài)。由于接收機傳播延遲短于驅動器，因此接收機不可能變?yōu)榈蛻B(tài)，即使是一瞬間的低態(tài)都不可能。驅動器一旦關閉，外部故障保護電阻器便將總線 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。
5、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。之后，其余高位 VOD = VFS > +200 mV。
此外，XCVROUT代表總線 2 上遠程收發(fā)器的接收機輸出狀態(tài)。傳統(tǒng)中繼器設計的數(shù)據(jù)速率通常被限制為 10 kbps，更短傳播延遲的一些現(xiàn)代收發(fā)器擁有高達 100 kbps 以上的數(shù)據(jù)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(nèi)容。但是，在一些遠距傳輸網(wǎng)絡(中繼器的主要應用領域)中，網(wǎng)絡節(jié)點之間的大接地電位差 (GPD) 很是常見。這些 GPD 以收發(fā)器輸入強共模電壓的形式存在，如果不實施電隔離，它們會對器件產(chǎn)生破壞力。當收發(fā)器總線電路隔離于其控制電路時，總線系統(tǒng)獨立于本地節(jié)點的接地電位。
圖 2 顯示了隔離于節(jié)點控制電路的總線節(jié)點驅動器和接收機部分。但是，就中繼器而言，必須使用雙隔離，因為內(nèi)部控制邏輯必須隔離于總線 1 和總線 2。另外，兩個總線還必須相互隔離。圖 5 顯示了實施這種隔離的一個中繼器電路，表1列出了其材料清單 (BOM)。電路使用兩個經(jīng)過隔離的 RS-485 收發(fā)器，每個收發(fā)器都要求一個單獨的隔離電源 VISO，其源自于控制部分的中央 3.3V 電源(請參見圖 6)。
圖 5 雙隔離半雙工中繼器
圖 6 雙隔離電源設計
結論
中繼器可用作總線擴展器或者分接頭延長器。用作總線擴展器時，中繼器構建一個總線的末端和另一個總線的開端。這樣可以在兩個端口固定安置故障保護電阻器和端接電阻器。但是，當中繼器用作分接頭延長器時，它可以放置在網(wǎng)絡的任何位置。這時，應去除連接總線的端口的電阻器，但是仍然保留分接頭端口的電阻器。
表 1 中繼器信號路徑材料清單
參考文獻
1、2006 年 1 月 1 日刊發(fā)的 TIA TSB-89“TIA/EIA-485-A應用指南”。
