微功耗RS485中繼器的研制
[導(dǎo)讀]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
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(cè)低達(dá)200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。
使用RS485總線(xiàn)，一對(duì)雙絞線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)。它的設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，故在工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。但是如果工程需要更長(zhǎng)的通信距離，超出RS485接口能夠提供的可靠傳送數(shù)據(jù)范圍時(shí)，單一的RS485通信控制芯片對(duì)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(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種微功耗的RS485中繼器，經(jīng)實(shí)地測(cè)試，通信距離可達(dá)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(duì)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(jī)時(shí)電流為10 μA，其他邏輯電路均采用HC型，待機(jī)電流2 μA，大大降低了系統(tǒng)功耗。
圖1原理圖
低待機(jī)電流和真失效保護(hù)是該應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵特性。RS485是一種半雙工通信標(biāo)準(zhǔn)，必須控制好總線(xiàn)的收發(fā)狀態(tài)。當(dāng)RS485輸入開(kāi)路，或者已經(jīng)終端匹配且沒(méi)有驅(qū)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(jié)數(shù)據(jù)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(jī)在RO的下降沿鎖定為ON狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)將U2的驅(qū)動(dòng)器使能引腳（DE）拉為高電平，使輸入數(shù)據(jù)字節(jié)從U2以RS485電平轉(zhuǎn)發(fā)出去。
狀態(tài)機(jī)一直監(jiān)視RO引腳的電壓躍變。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸完成時(shí)（當(dāng)在一個(gè)內(nèi)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有下降沿加在狀態(tài)機(jī)上時(shí)，即表示字節(jié)傳輸完畢），狀態(tài)機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并等待任何一側(cè)接口上的下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。
一幀數(shù)據(jù)到達(dá)U1后，被轉(zhuǎn)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(diào)整圖1中的R1/C1和R2/C2得到。
同樣，如果一幀數(shù)據(jù)到達(dá)U2后，將被轉(zhuǎn)發(fā)至U1的A1端口和B1端口輸出。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(cè)試結(jié)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(chǔ)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(shù)據(jù)到來(lái)，中間和下部波形分別表示被轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)電平比較規(guī)范，失真度很小。并且由于采用了狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸方向，比采用軟件控制方向更加方便、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
另外，在系統(tǒng)允許的情況下，波特率應(yīng)盡可能低，因?yàn)檫^(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(yīng)等損耗引起信號(hào)畸變，從而通信距離受到限制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)看，有中繼器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)拇龣C(jī)狀態(tài)，用微安表測(cè)得整機(jī)功耗電流約為22 μA（供電電壓3 V）。
圖2波形圖
結(jié)語(yǔ)
在對(duì)RS485總線(xiàn)理論深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種完全由硬件組成的RS485中繼器。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)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(duì)于單片機(jī)及其他系統(tǒng)的長(zhǎng)距離通信有一定的參考價(jià)值。
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(cè)低達(dá)200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。
使用RS485總線(xiàn)，一對(duì)雙絞線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)。它的設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，故在工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。但是如果工程需要更長(zhǎng)的通信距離，超出RS485接口能夠提供的可靠傳送數(shù)據(jù)范圍時(shí)，單一的RS485通信控制芯片對(duì)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(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種微功耗的RS485中繼器，經(jīng)實(shí)地測(cè)試，通信距離可達(dá)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(duì)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(jī)時(shí)電流為10 μA，其他邏輯電路均采用HC型，待機(jī)電流2 μA，大大降低了系統(tǒng)功耗。
圖1原理圖
低待機(jī)電流和真失效保護(hù)是該應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵特性。RS485是一種半雙工通信標(biāo)準(zhǔn)，必須控制好總線(xiàn)的收發(fā)狀態(tài)。當(dāng)RS485輸入開(kāi)路，或者已經(jīng)終端匹配且沒(méi)有驅(qū)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(jié)數(shù)據(jù)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(jī)在RO的下降沿鎖定為ON狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)將U2的驅(qū)動(dòng)器使能引腳（DE）拉為高電平，使輸入數(shù)據(jù)字節(jié)從U2以RS485電平轉(zhuǎn)發(fā)出去。
狀態(tài)機(jī)一直監(jiān)視RO引腳的電壓躍變。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸完成時(shí)（當(dāng)在一個(gè)內(nèi)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有下降沿加在狀態(tài)機(jī)上時(shí)，即表示字節(jié)傳輸完畢），狀態(tài)機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并等待任何一側(cè)接口上的下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。
一幀數(shù)據(jù)到達(dá)U1后，被轉(zhuǎn)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(diào)整圖1中的R1/C1和R2/C2得到。
同樣，如果一幀數(shù)據(jù)到達(dá)U2后，將被轉(zhuǎn)發(fā)至U1的A1端口和B1端口輸出。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(cè)試結(jié)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(chǔ)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(shù)據(jù)到來(lái)，中間和下部波形分別表示被轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)電平比較規(guī)范，失真度很小。并且由于采用了狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸方向，比采用軟件控制方向更加方便、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
另外，在系統(tǒng)允許的情況下，波特率應(yīng)盡可能低，因?yàn)檫^(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(yīng)等損耗引起信號(hào)畸變，從而通信距離受到限制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)看，有中繼器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)拇龣C(jī)狀態(tài)，用微安表測(cè)得整機(jī)功耗電流約為22 μA（供電電壓3 V）。
圖2波形圖
結(jié)語(yǔ)
在對(duì)RS485總線(xiàn)理論深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種完全由硬件組成的RS485中繼器。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)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(duì)于單片機(jī)及其他系統(tǒng)的長(zhǎng)距離通信有一定的參考價(jià)值。
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