微功耗RS485中繼器的研制

引 言：

　　在通信距離為幾十米到上千米時(shí)，RS485收發(fā)器被廣泛使用。RS485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。

　　使用RS485總線(xiàn)，一對雙絞線(xiàn)就能實(shí)現多站聯(lián)網(wǎng)，構成分布式系統。它的設備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(cháng)距離通信，故在工程項目中得到了廣泛應用。但是如果工程需要更長(cháng)的通信距離，超出RS485接口能夠提供的可靠傳送數據范圍時(shí)，單一的RS485通信控制芯片對就無(wú)法完成了。這時(shí)，必須在傳輸線(xiàn)路中增加中繼器。

　　筆者在長(cháng)期實(shí)踐的基礎上，設計了一種微功耗的RS485中繼器，經(jīng)實(shí)地測試，通信距離可達原來(lái)的1.8倍。

1 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，負責數據的收發(fā)或發(fā)收，采用Sipex公司的3 V低功耗芯片SP3485，單片待機時(shí)電流為10 μA，其他邏輯電路均采用HC型，待機電流2 μA，大大降低了系統功耗。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1原理圖

　　低待機電流和真失效保護是該應用的兩個(gè)關(guān)鍵特性。RS485是一種半雙工通信標準，必須控制好總線(xiàn)的收發(fā)狀態(tài)。當RS485輸入開(kāi)路，或者已經(jīng)終端匹配且沒(méi)有驅動(dòng)的情況下，U1和U2將使其接收端輸出（RO）為高電平。在差分輸入端A1和B1處，如果有輸入的字節數據時(shí)，則在U1的RO端將產(chǎn)生一個(gè)電壓躍變，由觸發(fā)器74HC74及與非門(mén)74HC00組成的狀態(tài)機在RO的下降沿鎖定為ON狀態(tài)。狀態(tài)機將U2的驅動(dòng)器使能引腳（DE）拉為高電平，使輸入數據字節從U2以RS485電平轉發(fā)出去。

　　狀態(tài)機一直監視RO引腳的電壓躍變。當一個(gè)數據字節傳輸完成時(shí)（當在一個(gè)內定的時(shí)間間隔內沒(méi)有下降沿加在狀態(tài)機上時(shí)，即表示字節傳輸完畢），狀態(tài)機自動(dòng)復位，并等待任何一側接口上的下一個(gè)數據字節。

　　一幀數據到達U1后，被轉發(fā)至U2的A2端口和B2端口輸出。在最后一次跳變700 μs后U2釋放其輸出。其他的時(shí)間延遲可以通過(guò)調整圖1中的R1/C1和R2/C2得到。

　　同樣，如果一幀數據到達U2后，將被轉發(fā)至U1的A1端口和B1端口輸出。這樣就實(shí)現了數據的雙向傳輸，并且由于中繼的原因，理論上通信距離會(huì )增至原來(lái)的2倍。

2 測試結果

　　使用泰克示波器TDS2012觀(guān)察接收和發(fā)送端的波形，并加以存儲分析，如圖2所示。

　　其中，垂直刻度為1 V/格，水平刻度為400 μs/格；上部波形表示一幀數據到來(lái)，中間和下部波形分別表示被轉發(fā)至B2和A2。由圖2可見(jiàn)，波形的上升沿和下降沿都很陡，說(shuō)明數據電平比較規范，失真度很小。并且由于采用了狀態(tài)機結構，能夠自動(dòng)識別數據傳輸方向，比采用軟件控制方向更加方便、可靠，達到了設計要求。

　　另外，在系統允許的情況下，波特率應盡可能低，因為過(guò)高的波特率將致使傳輸距離受限。由于傳輸線(xiàn)的歐姆阻抗、集膚效應等損耗引起信號畸變，從而通信距離受到限制。從實(shí)驗結果總結看，有中繼器的數據傳輸波特率不宜超過(guò)14400。增加中繼器后通信距離為原來(lái)的1.8倍。

　　功耗方面，在沒(méi)有數據傳輸的待機狀態(tài)，用微安表測得整機功耗電流約為22 μA（供電電壓3 V）。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2波形圖

結語(yǔ)
　　在對RS485總線(xiàn)理論深入分析的基礎上，結合實(shí)際應用，設計了一種完全由硬件組成的RS485中繼器。經(jīng)過(guò)實(shí)地測試，收到了良好的效果；同時(shí)采用了3 V的低功耗芯片，使它非常適宜工作在電池供電的場(chǎng)合。這對于單片機及其他系統的長(cháng)距離通信有一定的參考價(jià)值。