工程师们经常面临的一个问题是，如何为RS-485 应用设计一款非数据速率依赖型半双工中继器。例如，通过给现有网络添加分接头，设计一款超出建议最大线缆长度(1200m) 的远距离网络，或者设计一款星型拓扑网络。各种系统所使用的数据速率并不相同，从10 kbps 到200 kbps，不一而足。

   远程节点之间的接地电位差(GPD) 所产生的电压，超出了大多数总线收发器的最大共模电压范围，因此必须在网络节点电子组件和总线之间实施电隔离。

 《参考文献1》中，线缆长度与数据速率的对比特性表明，应使用1200m（4000英尺）的最大线缆长度（图1）。使用该长度时，常用120-Ω、AWG24 无屏蔽双绞线(UTP) 的电阻接近端电阻器值，并使总线信号摆幅减小一半（6 dB）。

图1 线缆长度与数据速率的关系

    在RS-485 技术文献中，为了简便起见，收发器产品说明书通常会介绍一种全双工中继器设计。但是，在远距离传输网络中，数千个仪表都使用全双工线缆并不可取，因为线缆和配线都非常的昂贵。

    为了实施一款更远距离的半双工模式远距传输网络，我们必须安装一个半双工中继器。图2 显示了一个系统结构图。由于半双工中继器连接至两个总线段，该中继器必须包含两个独立的收发器，每个收发器都经由信号隔离器连接至其各自总线，并连接至一个隔离于两个收发器部分的控制逻辑。该控制逻辑及时关闭和开启中继器的驱动器和接收机部分。任意方向的发来数据信号都可对其初始化。

图2 双隔离半双工中继器总线扩展

       两种最为常用的时序控制方法是图3 所示单触发电路和图4 所示时延反相缓冲器电路。为了确保正确的开关行为，两种方法都要求对上电和总线闲置以后的启动条件进行定义。通过故障保护偏压电阻器R_FS 可以完成这项工作，其在没有收发器有效驱动总线时，产生一个大于接收机输入敏感度V_FS > +200 mV 的故障保护电压V_FS。

图3 利用一个单触发电路实施的收发器时序控制

图4 利用一个反相缓冲器电路实施的收发器时序控制

    完整执行一遍单触发电路的功能运行顺序（此处以数字编号，请参见图3），清楚地说明了该中继器的工作过程：

1、在总线闲置期间，由于V_FS，两个中继器端口的接收机输出均为高电平。因此，两个收发器在接收模式下相互牵制。

2、接下来，端口1 上发来数据包起始位的到达，驱动RX₁ 输出为低。这种转变触发单触发电路，从而驱动其输出为高，并激活驱动器DR₂。

3、正确计算时间常量R_D × C_D，以使该单触发电路输出在整个数据包时间期间都保持高态。

4、在单触发时间常量期间，DR₂ 始终驱动总线2。XCVR_OUT 代表总线2 上远程收发器的接收机输出状态。请注意，DR₂ 被激活时，上拉电阻器R_PU 拉高未激活接收机(RX₂) 的输出，以使RX₁ 保持激活状态。

    这种解决方案的缺点是，R-C 时间常量取决于数据包长度和发送信号的数据速率。另外，单触发电路易受噪声瞬态的影响，容易引起伪触发和中继器故障。

    不过，单触发电路常用于接口桥接，例如：RS-232 到RS-485 转换器等。这些转换器直接把RS-485 网络连接至老式PC 或者RS-232 控制机器的RS-232 端口。

    有一种更加稳健和不依赖于数据速率的方法可以替代单触发电路，即通过一种具有不同充电和放电时间的反相施米特(Schmitt) 触发缓冲器，实现时序控制。优先原则是在逻辑低状态期间主动驱动总线，并在逻辑高状态期间关闭驱动器。然后，根据逐位原则开启和关闭序列，从而使中继器功能独立于数据速率和数据包长度。

    完整执行一遍反相器控制中继器的功能运行顺序（此处以数字编号，请参见图4），可以清楚地说明其运行过程：

1、在总线闲置期间，由于V_FS，两个中继器端口的接收机输出均为高。延迟电容C_D 获得完全充电，驱动反相器输出为低态，以使收发器维持在接收模式下。

2、之后，总线1 出现一个低位，驱动RX₁输出为低电平，快速对C_D 放电，并激活驱动器DR₂。

3、当总线电压变为正（V_Bus > 200 mV）时，RX₁ 输出变为高，其驱动DR₂ 输出为高，并通过R_D 对C_D 缓慢充电。必须正确计算最小时间常量（R_D × C_D），以使最大电源电压V_CC(max) 和最小正反相器输入阈值V_TH+(min) 时，延迟时间t_D 超过驱动器最大低到高传播延迟t_PLH(max)，即超出30%。例如，电容为C_D = 100 Pf 时，R_D 的要求电阻值为：

4、根据延迟时间(t_D) 与实际数据位间隔时间的对比情况，延长驱动器激活时间，以在总线建立有效的高态信号。需在从发射模式切换至接收模式以前完成这项工作，目的是让接收机输出始终保持高态。由于接收机传播延迟短于驱动器，因此接收机不可能变为低态，即使是一瞬间的低态都不可能。驱动器一旦关闭，外部故障保护电阻器便将总线2 偏压至200 mV 以上，其被活跃接收机看作是一个定义高电平。

5、某个总线闲置，低位V_OD < 1.5 V，高位之初时延(t_D) 的V_OD > 1.5 V，此时，总线2 的差动输出电压为V_OD = V_FS > +200 mV。之后，其余高位V_OD = V_FS > +200 mV。

    此外，XCVR_OUT代表总线2 上远程收发器的接收机输出状态。传统中继器设计的数据速率通常被限制为10 kbps，更短传播延迟的一些现代收发器拥有高达100 kbps 以上的数据速率。

    为了简便起见，到目前为止，中继器讨论始终都没有涉及电隔离这一重要内容。但是，在一些远距传输网络（中继器的主要应用领域）中，网络节点之间的大接地电位差(GPD) 很是常见。这些GPD 以收发器输入强共模电压的形式存在，如果不实施电隔离，它们会对器件产生破坏力。当收发器总线电路隔离于其控制电路时，总线系统独立于本地节点的接地电位。

    图2 显示了隔离于节点控制电路的总线节点驱动器和接收机部分。但是，就中继器而言，必须使用双隔离，因为内部控制逻辑必须隔离于总线1 和总线2。另外，两个总线还必须相互隔离。图5 显示了实施这种隔离的一个中继器电路，表1列出了其材料清单(BOM)。电路使用两个经过隔离的RS-485 收发器，每个收发器都要求一个单独的隔离电源V_ISO，其源自于控制部分的中央3.3V 电源（请参见图6）。

图5 双隔离半双工中继器

图6 双隔离电源设计

结论

    中继器可用作总线扩展器或者分接头延长器。用作总线扩展器时，中继器构建一个总线的末端和另一个总线的开端。这样可以在两个端口固定安置故障保护电阻器和端接电阻器。但是，当中继器用作分接头延长器时，它可以放置在网络的任何位置。这时，应去除连接总线的端口的电阻器，但是仍然保留分接头端口的电阻器。

表1 中继器信号路径材料清单

参考文献

1、2006 年1 月1 日刊发的TIA TSB-89“TIA/EIA-485-A应用指南”，网站地址：www.global.ihs.com。

相关网站

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”