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作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 應用工程師 工程師們經常面臨的一個問題是，如何為 RS-485 應用設計一款非數據速率依賴型半雙工中繼器。例如，通過給現有網絡添加分接頭，設計一款超出建議最大線纜長度 (1200m) 的遠距離網絡，或者設計一款星型拓撲網絡。各種系統所使用的數據速率并不相同，從 10 kbps 到 200 kbps，不一而足。 遠程節點之間的接地電位差 (GPD) 所產生的電壓，超出了大多數總線收發器的最大共模電壓范圍，因此必須在網絡節點電子組件和總線之間實施電隔離。 《參考文獻 1》中，線纜長度與數據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-Ω、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）。 
在 RS-485 技術文獻中，為了簡便起見，收發器產品說明書通常會介紹一種全雙工中繼器設計。但是，在遠距離傳輸網絡中，數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絡，我們必須安裝一個半雙工中繼器。圖 2 顯示了一個系統結構圖。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器，每個收發器都經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。任意方向的發來數據信號都可對其初始化。
兩種最為常用的時序控制方法是圖 3 所示單觸發電路和圖 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，其在沒有收發器有效驅動總線時，產生一個大于接收機輸入敏感度 VFS > +200 mV 的故障保護電壓 VFS。
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： 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，兩個收發器在接收模式下相互牽制。 2、 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，并激活驅動器 DR2。 3、 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。 4、 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 時間常量取決于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。 有一種更加穩健和不依賴于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) 觸發緩沖器，實現時序控制。優先原則是在邏輯低狀態期間主動驅動總線，并在邏輯高狀態期間關閉驅動器。然后，根據逐位原則開啟和關閉序列，從而使中繼器功能獨立于數據速率和數據包長度。 完整執行一遍反相器控制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： 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，以使收發器維持在接收模式下。 2、 之后，總線 1 出現一個低位，驅動RX1輸出為低電平，快速對 CD 放電，并激活驅動器 DR2。 3、 當總線電壓變為正（VBus > 200 mV）時，RX1 輸出變為高，其驅動 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、 根據延遲時間 (tD) 與實際數據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信號。需在從發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。由于接收機傳播延遲短于驅動器，因此接收機不可能變為低態，即使是一瞬間的低態都不可能。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制為 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 以收發器輸入強共模電壓的形式存在，如果不實施電隔離，它們會對器件產生破壞力。當收發器總線電路隔離于其控制電路時，總線系統獨立于本地節點的接地電位。 圖 2 顯示了隔離于節點控制電路的總線節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，其源自于控制部分的中央 3.3V 電源（請參見圖 6）。
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。
參考文獻 1、2006 年 1 月 1 日刊發的 TIA TSB-89“TIA/EIA-485-A應用指南”，網站地址： www.global.ihs.com 。 相關網站 http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/interface.page www.ti.com.cn/product/cn/partnumber 使用 ISO15、SN6501 或者 SN74LVC2G14 代替上面地址中的“partnumber” |
