波特率自適應(yīng)的RS-485光電收發(fā)器模塊設(shè)計(jì)

1 引言
    RS-485是一種工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的通信協(xié)議，其顯著特點(diǎn)是信號采用“差分”方式傳輸，因此有效抑制了共模干擾，通信距離也因此大大增加。在不加任何中繼設(shè)備時(shí)，理論傳輸距離為1.2 km。然而南于工業(yè)現(xiàn)場情況錯(cuò)綜復(fù)雜，各種干擾相互疊加，而RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)，因此在需要進(jìn)行更長距離傳輸或者增加更多負(fù)載的情況下，有必要使用一種中繼設(shè)備將信號更準(zhǔn)確，更完整地傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備。光纖和其他傳輸介質(zhì)相比具有寬頻、低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)此款光電收發(fā)器能夠有效提高信號傳輸質(zhì)量和傳輸距離。

2 總體設(shè)計(jì)
2．1 使用場合及功能簡述
    RS-485光電收發(fā)器模塊工作在物理層，設(shè)計(jì)的每個(gè)模塊內(nèi)有兩路相互完全獨(dú)立的光電收發(fā)器，每路作用是實(shí)現(xiàn)將兩線制RS-485差分信號數(shù)據(jù)與光信號轉(zhuǎn)換。當(dāng)兩線制RS-485傳輸線長度超過400 m時(shí)，信號質(zhì)量下降，并且很容易受到外部電磁場干擾，此時(shí)使用光電收發(fā)器作為中繼設(shè)備連接現(xiàn)場總線，不僅能夠增強(qiáng)傳輸距離，而且可以保證傳輸中由外部電磁場造成的干擾減小到最低。
2．2 通信系統(tǒng)框架
    如圖l所示，從物理層來看，整個(gè)總線被光纖分成兩段。此時(shí)每路收發(fā)器應(yīng)視為相應(yīng)段的末端，因此需要在每路收發(fā)器中內(nèi)置終端匹配電阻，使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。與此同時(shí)，每一路光電收發(fā)器在電氣性能上占一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此．每一段總線上所加的485負(fù)載應(yīng)小于30個(gè)。

    當(dāng)現(xiàn)場比較分散時(shí)，或RS-485總線兩端的設(shè)備不在同一建筑物內(nèi)時(shí)，相關(guān)設(shè)備和模塊可以采用如圖2所示的方式進(jìn)行連接，依現(xiàn)場環(huán)境而定。

3 設(shè)計(jì)原理
    由于RS-485是半雙工雙向總線，具有多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)I/O模塊同時(shí)連接到總線上，而且信號傳輸線上的傳輸方向不定。因此，在設(shè)計(jì)RS-485光電收發(fā)器模塊時(shí)，首先重點(diǎn)考慮的就是控制好RS-485收發(fā)器的信號傳遞方向。

3．1 常見的3種RS-485光電收發(fā)器原理
    現(xiàn)有已應(yīng)用到現(xiàn)場的RS-485光電收發(fā)器通常采用以下方法實(shí)現(xiàn)：
    (1)采用RC充放電延遲電路配合整形電路控制RS-485收發(fā)器的數(shù)據(jù)收發(fā)方向。
    (2)將單片機(jī)作為定時(shí)器定時(shí)控制RS-485收發(fā)器數(shù)據(jù)收發(fā)方向。
    (3)采用FPGA(CLPD)監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收端有數(shù)據(jù)上傳時(shí)，通過邏輯控制將RS-485收發(fā)器調(diào)整到接收狀態(tài)，接收完畢后返回。
    第1種方法采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，使用阻容延遲電路。缺點(diǎn)是電阻電容本身有一定的誤差，使用一段時(shí)間后由于老化或其他環(huán)境因素，容易導(dǎo)致延遲時(shí)間的變化，使模塊準(zhǔn)確性降低；而且這種方法在傳輸過程中以字節(jié)為單位。要求2個(gè)字節(jié)之間的通信時(shí)間間隔必須大于1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的通信時(shí)間，才能確保不丟失數(shù)據(jù)，因此降低了通信速率。
    第1、2種方法采用軟件控制收發(fā)器狀態(tài)。第2種方法中用單片機(jī)檢測接收到數(shù)據(jù)的起始位，單片機(jī)中斷響應(yīng)需要時(shí)間，并且這個(gè)時(shí)間必須小于RS－485總線上一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間，這樣才能夠保證不漏掉每一個(gè)數(shù)據(jù)位，因此對傳輸速率有了一定的限制。第3種方法實(shí)際上是對收發(fā)器接收的到通信內(nèi)容進(jìn)行分析、判斷，與此同時(shí)控制收發(fā)器狀態(tài)，這種方法屬于數(shù)據(jù)鏈路層的處理，軟件運(yùn)行時(shí)間降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)使得整個(gè)通信系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，也增加了模塊成本。
3．2 波特率自適應(yīng)RS-485光電收發(fā)器原理
3．2．1 硬件原理框圖
    該模塊采用硬件電路搭建，包括方向控制和整形電路如圖3所示。其工作原理：①24 V電源經(jīng)過隔離DC／DC轉(zhuǎn)換成5 V直流給整個(gè)模塊供電。②雙絞線傳輸?shù)腞S－485信號通過端子引入RS－485差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器(此處選用SN75HVD06D)，支持最大10 MHz傳輸速率)。空閑狀態(tài)下RS-485收發(fā)器默認(rèn)狀態(tài)為收，即接收外部傳來的差分信號，將其轉(zhuǎn)換為Rx數(shù)字信號，加以驅(qū)動(dòng)后傳給HFBR1414轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸出去。相反，當(dāng)有信號輸入模塊時(shí)，首先HFBR2412光頭將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字Tx信號，經(jīng)過整形、延遲處理后，同時(shí)控制收發(fā)器兩個(gè)使能端DE、RE。(③T作在半雙工方式的RS-485總線，主控單元與從站之間只能采用主從方式交換數(shù)據(jù)，而工作在總線上的光電收發(fā)器，也只能通過光頭的輸入信號判斷信號的傳輸方向。因此，為了不占用總線的空閑時(shí)間，需要對方向控制門的波形作適當(dāng)整形，可利用上拉下拉電阻保證總線上“1”的狀態(tài)，而當(dāng)光頭接收到“0”時(shí)，則打開方向控制門，使驅(qū)動(dòng)器總線產(chǎn)生“0”。

    圖4為工作過程中的波形．方向控制門默認(rèn)為低，接收端數(shù)據(jù)默認(rèn)為高。當(dāng)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)位“1”時(shí)，方向控制門關(guān)閉：發(fā)送數(shù)據(jù)位“0”時(shí)，方向控制門延遲一小段時(shí)間后打開。此時(shí)，接收端完全接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，直到方向控制門關(guān)閉。

3．2．2 波特率自適應(yīng)原理
    波特率自適應(yīng)光電收發(fā)器的設(shè)計(jì)思路是：通過方向控制門控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)，以一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間寬度為單元，若收發(fā)狀態(tài)時(shí)間寬度適應(yīng)于任意波特率，則該光電收發(fā)器可以適應(yīng)任何速率的數(shù)據(jù)傳輸，電路結(jié)構(gòu)目如網(wǎng)5所示。

    圖5中外部數(shù)字信號流入模塊時(shí)，首先通過一個(gè)RC延遲電路將信號延遲一小段時(shí)間(R×C)，然后通過一個(gè)二輸入與非門接入RS-85 收發(fā)器的兩個(gè)使能端，使能端通過下拉電阻R2保證默認(rèn)狀態(tài)為RE使能，即默認(rèn)為收(數(shù)據(jù)從左向右)；當(dāng)有“0”信號流入時(shí)，收發(fā)器自動(dòng)切換到DE使能，即為發(fā)送狀態(tài)(數(shù)據(jù)從右向左)，此時(shí)收發(fā)器將完全接收外部輸入的信號，而當(dāng)輸入由“0”變?yōu)椤?”時(shí)，方向控制門關(guān)閉，RS-485收發(fā)器呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。此時(shí)設(shè)置在差分信號端的匹配電阻構(gòu)成偏置電路，為差分信號提供高電平。
    由圖5可看出，這樣做會(huì)對信號的完整性造成一定的損失，但是如果延遲時(shí)間與數(shù)據(jù)位的時(shí)間相比很小時(shí)，這種處理方法便不會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)最大傳輸速率選好尺，R3、C1的值和延遲時(shí)間，才能保證在波特率自適應(yīng)過程中不會(huì)對信號質(zhì)量造成影響。 

3.3 光電轉(zhuǎn)換簡介
    該模塊采用HFBR-1414、HFBR-2412光電收發(fā)器，兩器件配對使用，將電信號和光信號進(jìn)行互轉(zhuǎn)，一收一發(fā)，實(shí)現(xiàn)模塊功能。
    對于一般的工業(yè)場合，在帶寬不是很大的情況下，多模光纖已經(jīng)能夠達(dá)到工業(yè)級要求，其傳輸距離可以達(dá)到幾公里，對于RS-485總線來說已經(jīng)綽綽有余。同時(shí)考慮到成本因素，該模塊推薦使用多模光纖為介質(zhì)進(jìn)行傳輸。

4 結(jié)語
    經(jīng)測試，該模塊能夠在500 Kb／s及以下的速率正常運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。相對于軟件方法實(shí)現(xiàn)的中繼設(shè)備更加簡潔和準(zhǔn)確。該模塊和一般的RS-485、RS-232中繼設(shè)備相比，不但在傳輸距離上有很大提高，而且由于使用光纖，在抗干擾度方面也有突出優(yōu)勢，可用于工業(yè)現(xiàn)場的任何一個(gè)環(huán)節(jié)。