四線制全雙工RS-485中繼器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用優(yōu)勢

1.引言

理論上RS-485的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s.但其平衡雙絞線的傳輸距離與傳輸速率成反比，只有在100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。要獲得最高速率傳輸只能在很短的傳輸距離下連接。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s.想要保證較高傳輸速率，又有較遠(yuǎn)的傳輸距離，采用中繼器是一個(gè)便捷的方法。中繼器可以將較長的傳輸線分隔成兩段，從而減低傳輸線的歐姆阻抗、線間電容、集膚效應(yīng)等引起的信號畸變，從而保證在較高傳輸速率下，增加傳輸距離。

RS-485有兩線制和四線制兩種接線方式，采用二線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的全雙工通信，即只能有一個(gè)主（Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備。無論四線還是二線連接方式，總線上均可掛接多達(dá)128個(gè)設(shè)備。

以下介紹一種在長期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的實(shí)用四線制全雙工RS-485中繼器。

2.四線制中繼器原理

中繼器原理圖如圖1所示。其中，U1和U2是中繼器的收發(fā)芯片對，負(fù)責(zé)對RS-485串行數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，采用Maxim公司的3.3V低功耗全雙工RS-485收發(fā)器芯片MAX3491,單片待機(jī)時(shí)電流為1mA,U3、U4均采用HC型邏輯電路，待機(jī)電流更小，大大降低了整機(jī)功耗。

由于MAX3491芯片已內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)電路，所以只需要在傳輸線上簡單匹配120歐姆的終端電阻即可。

U3與U4按圖1連接，組成兩個(gè)一模一樣的數(shù)據(jù)脈沖監(jiān)測電路，分別監(jiān)測TXD和RXD總線上是否有數(shù)據(jù)脈沖，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)脈沖時(shí)，就會(huì)使能對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，讓數(shù)據(jù)脈沖以RS-485電平轉(zhuǎn)發(fā)出去。

發(fā)送總線TXD和接收總線RXD上都沒數(shù)據(jù)時(shí)，圖1的Ro及To處均為高電平，Re和Te處則為低電平，對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器都關(guān)閉，為低功耗待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)J1的3、4腳，即接收總線RXD上有數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)U2的接收器解調(diào)后由2腳輸出，送到U1的驅(qū)動(dòng)器的輸入端5腳。同時(shí)Ro端的下降沿使得電容C1放電為低電平，經(jīng)U3B后解除觸發(fā)器U4A的置零狀態(tài)，同時(shí)Ro端的下降沿經(jīng)U3A后，使觸發(fā)器U4A的置位，Re變?yōu)楦唠娖?，使能U1的驅(qū)動(dòng)器將5腳輸入的數(shù)據(jù)以RS-485電平轉(zhuǎn)發(fā)出去。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸完成時(shí)，即當(dāng)在一個(gè)內(nèi)定的時(shí)間間隔內(nèi)Ro沒有下降沿發(fā)生，經(jīng)R1對C1充電到位，會(huì)令觸發(fā)器U4A進(jìn)入置零狀態(tài)，Re變低電平令驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，并等待下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)來臨。改變R1的數(shù)值可以調(diào)整時(shí)間間隔的長短，按圖1的數(shù)值時(shí)間間隔約為700μs.

同樣的，發(fā)送總線TXD上有數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)以上的同樣流程，數(shù)據(jù)亦會(huì)經(jīng)由U1、U2轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向中繼傳輸。

由于RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，沒有硬性指定接插件端子分配，應(yīng)用中可以按實(shí)際靈活調(diào)整設(shè)計(jì)。圖1中J1、J2端子是按照Nport5150標(biāo)準(zhǔn)的接口定義來分配的。

Nport5150的接口定義如圖2所示，它支持232、422、485三種連接方式。本設(shè)計(jì)引用其中的四線制RS-485定義。

3.結(jié)語

如圖1所示四線制RS485中繼器，除接插件J1-J3以及電解電容用直插元件外，其余全部用貼片元件，整個(gè)電路板設(shè)計(jì)可以壓縮為火柴盒大小。實(shí)體電路經(jīng)過實(shí)地測試，性能滿足設(shè)計(jì)要求，收到了良好的效果；采用了低功耗芯片，整機(jī)功耗很低，同時(shí)小體積的設(shè)計(jì)使它容易融合進(jìn)各種工業(yè)組網(wǎng)應(yīng)用的布線環(huán)境。