實(shí)用四線(xiàn)制全雙工RS-485中繼器

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(xiàn)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(cháng)的雙絞線(xiàn)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(cháng)的傳輸線(xiàn)分隔成兩段，從而減低傳輸線(xiàn)的歐姆阻抗、線(xiàn)間電容、集膚效應等引起的信號畸變，從而保證在較高傳輸速率下，增加傳輸距離。

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

以下介紹一種筆者在長(cháng)期實(shí)踐的基礎上，設計的實(shí)用四線(xiàn)制全雙工RS-485中繼器。

2.四線(xiàn)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，負責對RS-485串行數據進(jìn)行中繼轉發(fā)，采用Maxim公司的3.3V低功耗全雙工RS-485收發(fā)器芯片MAX3491,單片待機時(shí)電流為1mA,U3、U4均采用HC型邏輯電路，待機電流更小，大大降低了整機功耗。

由于MAX3491芯片已內置網(wǎng)絡(luò )失效保護電路，所以只需要在傳輸線(xiàn)上簡(jiǎn)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)一模一樣的數據脈沖監測電路，分別監測TXD和RXD總線(xiàn)上是否有數據脈沖，當檢測到有數據脈沖時(shí)，就會(huì )使能對應的驅動(dòng)器，讓數據脈沖以RS-485電平轉發(fā)出去。

發(fā)送總線(xiàn)TXD和接收總線(xiàn)RXD上都沒(méi)數據時(shí)，圖1的Ro及To處均為高電平，Re和Te處則為低電平，對應的驅動(dòng)器都關(guān)閉，為低功耗待機狀態(tài)。當J1的3、4腳，即接收總線(xiàn)RXD上有數據時(shí)，經(jīng)U2的接收器解調后由2腳輸出，送到U1的驅動(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的驅動(dòng)器將5腳輸入的數據以RS-485電平轉發(fā)出去。當一個(gè)數據字節傳輸完成時(shí)，即當在一個(gè)內定的時(shí)間間隔內Ro沒(méi)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變低電平令驅動(dòng)器關(guān)閉，并等待下一個(gè)數據字節來(lái)臨。改變R1的數值可以調整時(shí)間間隔的長(cháng)短，按圖1的數值時(shí)間間隔約為700μs.

同樣的，發(fā)送總線(xiàn)TXD上有數據時(shí)，經(jīng)以上的同樣流程，數據亦會(huì )經(jīng)由U1、U2轉發(fā)出去。這樣就實(shí)現了數據的雙向中繼傳輸。

由于RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，沒(méi)有硬性指定接插件端子分配，應用中可以按實(shí)際靈活調整設計。圖1中J1、J2端子是按照Nport5150標準的接口定義來(lái)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。本設計引用其中的四線(xiàn)制RS-485定義。

3.結語(yǔ)

如圖1所示四線(xiàn)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)電路板設計可以壓縮為火柴盒大小。實(shí)體電路經(jīng)過(guò)實(shí)地測試，性能滿(mǎn)足設計要求，收到了良好的效果;采用了低功耗芯片，整機功耗很低，同時(shí)小體積的設計使它容易融合進(jìn)各種工業(yè)組網(wǎng)應用的布線(xiàn)環(huán)境。