波特率自適應(yīng)的RS-485中繼器設(shè)計

引言

　　RS-485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(fù)。使用RS-485總線，一對雙絞線就能實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，且設(shè)備簡單、價格低廉，能進行長距離通信，因而得到了廣泛的應(yīng)用。由于在雙絞線上的電平損耗，RS-485標準通信的最大傳輸距離是1 200 m，因此更遠距離的應(yīng)用中必須使用中繼器。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)與所選芯片驅(qū)動能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)。RS-485標準規(guī)定了最大總線負載為32個單位負載，若應(yīng)用中總線負載大于32個單位負載則必須使用中繼器。

1 RS-485中繼器原理[12]

　　RS-485是半雙工方式，兩線雙向傳送差分信號,具有多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器和接收器連接到同一條總線上，傳輸線上信號的傳輸方向不定。因此，識別和控制好傳輸線上的信號傳遞方向是設(shè)計RS-485中繼器的關(guān)鍵。

　　RS-485標準規(guī)定：數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式（differential driver mode），也稱為“平衡傳輸”。它使用一對雙絞線，將其中一根線定義為A，另一根線定義為B，如圖 1所示。

圖1  RS-485發(fā)送器的示意圖

　　通常情況下，RS485發(fā)送器A、B 之間的正電平在+2～+6 V，是一種邏輯狀態(tài)；負電平在-6～-2 V，是另一種邏輯狀態(tài)。在RS-485發(fā)送器件中，一般有一個“使能”控制信號，用于控制發(fā)送器與傳輸線的切斷和連接。當“使能”端為低電平時，發(fā)送器輸出處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”。它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。

　　對于RS-485接收器，也作出與發(fā)送器相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB 對應(yīng)相連。當在接收端A、B 之間有大于+200 mV 的電平時，輸出為正邏輯電平；小于-200 mV 時，輸出為負邏輯電平。在接收器的接收平衡線上，電平范圍通常為200 mV~6 V，如圖2所示。

圖2  RS-485接收器的示意圖

　　RS-485 接收器同樣定義邏輯1（正邏輯電平）為B＞A 的狀態(tài)，邏輯0（負邏輯電平）為A>B 的狀態(tài)，A、B 之間的壓差不小于200 mV。在RS-485 接收器件中，一般也有一個“使能”控制信號，用于控制接收器與傳輸線的切斷和連接。當“使能”端為高電平時，接收器與傳輸線切斷，接收器輸出為高電平；當 “使能”端為低電平時，接收器輸出電平與總線信號的邏輯電平一致。

　　RS-485中繼器原理圖如圖3所示。正常工作時主要有三個狀態(tài)：空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)從RS-485收發(fā)器U1邊的總線往RS-485收發(fā)器U2邊的總線傳送(簡稱“數(shù)據(jù)右傳狀態(tài)”)，數(shù)據(jù)從RS-485收發(fā)器U2邊的總線往RS-485收發(fā)器U1邊的總線傳送(簡稱“數(shù)據(jù)左傳狀態(tài)”)。

圖3  RS-485中斷器原理圖

（1）  空閑狀態(tài)
　　當中繼器上電啟動運行或總線上沒有數(shù)據(jù)傳送時，中繼器工作在空閑狀態(tài)。RS-485收發(fā)器U1、U2均為接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，U1、U2的EN1、EN2引腳均為低電平。

（2）  數(shù)據(jù)右傳狀態(tài)
　　當RS-485收發(fā)器U1邊檢測到連接其A、B引腳總線上的差動信號有數(shù)據(jù)向右邊傳送時，它通過RS-485收發(fā)器U1的RO引腳以RS-232的方式逐位接收數(shù)據(jù)，并通過RS-485收發(fā)器U2的DI引腳以RS-232的方式逐位輸出數(shù)據(jù)。傳送順序為先傳一個低電平起始位，再傳8位數(shù)據(jù)位，最后傳1位高電平結(jié)束位，為一數(shù)據(jù)幀，此段時間U2的EN2引腳應(yīng)為高電平。此后U2將一直輸出高電平直到下一幀數(shù)據(jù)到來之前，U2的EN2引腳也應(yīng)為低電平且處于接收狀態(tài)。

（3）  數(shù)據(jù)左傳狀態(tài)
　　數(shù)據(jù)左傳狀態(tài)的過程與數(shù)據(jù)右傳狀態(tài)一致，只是在一數(shù)據(jù)幀時間段內(nèi)U2的EN2引腳應(yīng)為高電平。

　　當總線上干擾較大時也有可能發(fā)生總線沖突，數(shù)據(jù)右傳狀態(tài)和數(shù)據(jù)左傳狀態(tài)同時發(fā)生。此時，總線上的信號是無效的，但總線沖突（總線雙方同時活動）并不需要中繼器來處理和解決，而是由通信協(xié)議來處理和防止的。要求總線沖突（或干擾）結(jié)束后，RS-485中繼器的方向控制器總能自動恢復(fù)正常工作。

2  幾種RS-485中繼器[16]

　　現(xiàn)有的RS-485中繼器通常采用三種方法來實現(xiàn)：①  采用RC充放電延時與RS觸發(fā)器的配合來控制RS-485芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)方向;②  采用單片機的定時器定時控制RS-485接口收發(fā)方向;③  采用單片機串口監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)，通過查表當數(shù)據(jù)送給本中繼器下的終端時才開啟數(shù)據(jù)傳輸通道。

　　第一種方法的缺點是采用電阻、電容組成延時電路。由于電阻或電容本身的誤差，運行一段時間后電子器件老化產(chǎn)生的誤差以及溫度的變化，都會影響延時的準確性，而且這種中繼器要求兩個字節(jié)之間的通信時間間隔必須大于一個字節(jié)數(shù)據(jù)的通信時間才能確保不丟失數(shù)據(jù)，因此降低了通信速率。

　　第二、三種方法的缺點是采用單片機的中斷來檢測數(shù)據(jù)幀的起始位。單片機的中斷響應(yīng)須要一段時間，RS-485總線一個數(shù)據(jù)位的時間寬度應(yīng)大于單片機的中斷響應(yīng)時間，終端處理器才能檢測每數(shù)據(jù)幀的起始位，所以此兩種方法的通信速率也受到限制。特別是第三種方法中，單片機要通過對總線上通信內(nèi)容的監(jiān)聽進行相應(yīng)查表來決定本中繼器后面的總線是否與前面的總線連接。這種方法的缺點是要對總線的通信內(nèi)容進行處理，這不僅降低了通信的實時性，而且還增加了系統(tǒng)通信協(xié)議的復(fù)雜性，降低了RS-485總線通信的可靠性。

3  波特率自適應(yīng)RS-485中繼器

　　在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中，RS-485總線的通信速度一般為2 400~115 200 bps，以前設(shè)計的RS-485中繼器控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài),以一數(shù)據(jù)幀時間寬度為單元。不同的波特率，控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)的時間寬度也不同，所以RS-485總線的通信速度不同，需設(shè)置控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)的時間寬度，以適應(yīng)所應(yīng)用RS-485總線的通信速度。

　　波特率自適應(yīng)RS-485中繼器的設(shè)計思路是: 控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài),以一數(shù)據(jù)位時間寬度為單元。若控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)時間寬度適應(yīng)任意波特率的一數(shù)據(jù)位時間寬度，則RS- 485中繼器適應(yīng)任意RS-485總線的通信速度。為此設(shè)計波特率自適應(yīng)RS-485中繼器,如圖4所示。

圖4  波特率自適應(yīng)RS-485中繼器原理圖

　　U3、U4為由CA555組成的相對延時單穩(wěn)觸發(fā)電路，分別控制RS-485中繼器數(shù)據(jù)左、右傳狀態(tài)。相對延時單穩(wěn)觸發(fā)電路是在由CA555組成的普通單穩(wěn)觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上增加了二極管D1和D2。當CA555輸入引腳TRIG為低電平時，CA555內(nèi)部和二極管D1、D2將RC延時電路放電，輸出Q端輸出高電平；當CA555輸入引腳TRIG變?yōu)楦唠娖綍r，CA555內(nèi)部和二極管D1、D2開始使RC延時電路充電，延時一段時間（與R×C有關(guān)），輸出Q端輸出低電平。其輸入、輸出信號時序如圖5所示。

圖5  相對延時單穩(wěn)觸發(fā)電路時序圖

　　圖5中，TRIG為CA555的輸入信號；Q為CA555的輸出信號；Tw為單個或連續(xù)低電平數(shù)據(jù)位的時間寬度；Trc為U3、U4組成的單穩(wěn)觸發(fā)電路中R11×C1(或R12×C2)決定的延時時間寬度，選擇小于RS-485總線最高波特率（如115 200 bps）的數(shù)據(jù)位的時間寬度為宜。在本設(shè)計中，控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)的時間寬度始終比總線中傳輸數(shù)據(jù)低電平寬度大Trc,而且Trc不會大于任何波特率的一個數(shù)據(jù)位的時間寬度。所以本文設(shè)計的波特率自適應(yīng)RS-485中繼器適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用RS-485總線的任意通信速度。

　　由于波特率自適應(yīng)RS-485中繼器以一數(shù)據(jù)位時間寬度為單元，所以只有傳輸?shù)碗娖綌?shù)據(jù)位時，輸出端RS-485收發(fā)器的輸出使能才打開，并輸出低電平。當傳輸高電平數(shù)據(jù)位時，輸出端RS-485收發(fā)器的輸出使能關(guān)閉，RS-485收發(fā)器的輸出為高阻狀態(tài)。所以，在每端RS-485收發(fā)器的輸出端需增加上拉電阻、下拉電阻和匹配電阻構(gòu)成的偏置電路，當輸出為高阻狀態(tài)時，在匹配電阻上形成表示高電平的差分信號并輸出[6]。

　　為提高波特率自適應(yīng)RS-485中繼器的可靠性，可將U3的輸出端經(jīng)一反相器與U4的低電平有效的復(fù)位端R連接；將U4的輸出端經(jīng)一反相器與 U3的低電平有效的復(fù)位端R連接。這樣，當從RS-485中繼器的一側(cè)向另一側(cè)傳輸數(shù)據(jù)時，消除了同時向相反方向傳輸數(shù)據(jù)的可能性。

　　當總線上干擾較大時也有可能發(fā)生總線沖突，數(shù)據(jù)右傳狀態(tài)和數(shù)據(jù)左傳狀態(tài)同時發(fā)生。由于實際電路的不完全對稱，波特率自適應(yīng)RS-485中繼器只能向一個方向傳輸數(shù)據(jù)，并且當總線沖突（或干擾）結(jié)束后，中繼器處于空閑狀態(tài)，即中繼器兩端的收發(fā)器均處于接收狀態(tài)。

4  結(jié)論

　　本文提出了由CA555組成的相對延時單穩(wěn)觸發(fā)電路，并應(yīng)用于RS-485總線中繼器的設(shè)計中。它使得RS-485收發(fā)器的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)只由 RS-485中繼器接收數(shù)據(jù)端數(shù)據(jù)的一個或連續(xù)多個低電平位來控制，與一數(shù)據(jù)位時間寬度無關(guān)，即與總線傳輸數(shù)據(jù)的波特率無關(guān)，所以本文設(shè)計的RS-485 總線中繼器自適應(yīng)任何波特率數(shù)據(jù)的RS-485總線中繼傳輸。實踐證明，該波特率自適應(yīng)RS-485中繼器是可靠的。

參考文獻

[1]  周洪,羅國洲，陳可群. 一種新型智能大夏局域網(wǎng)中繼器的設(shè)計[J].微計算機信息,2005，29:144-146.
[2]  尹征琦. 具有隔離性能的RS-485中繼器及其設(shè)計[J]. 自動化儀表,2003（11）:62-65.
[3]  姜香菊. RS-485總線上中繼器的研究[J]. 信息技術(shù)，2004（2）:39-41.
[4]  張紅兵，黃石生，周漪清. 自動轉(zhuǎn)換收發(fā)狀態(tài)的RS-485信號分配器的設(shè)計[J]. 電測與儀表,2005(3):51-54.
[5]  陳良光. 中繼器在RS-485/422分支通信中的應(yīng)用[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001（10）:54-56.
[6]  趙重明. 幾種RS-485接口收發(fā)方向轉(zhuǎn)換方法[J]. 微型機與應(yīng)用，2000(10):22,34.

張習加(講師)，主要研究方向為工業(yè)控制和測試技術(shù)；
李成群(副教授)，主要研究方向為機器人技術(shù)、機械系統(tǒng)動力學、工業(yè)控制和測試技術(shù)。