信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí) 67：如何設(shè)計(jì)一款適用 RS-485 的 2-4 線轉(zhuǎn)換器

多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，例如：Profibus、Modbus 和 BACnet 等通常均要求具備 RS-485 雙線、半雙工總線系統(tǒng)與四線、全雙工總線系統(tǒng)通用性。這些系統(tǒng)可以擴(kuò)展至數(shù)百米長(zhǎng)，并承受較大的接地電位差 (GPD)。這些電位差會(huì)超出收發(fā)器的共模電壓范圍，對(duì)器件造成損壞。為了消除 GPD，我們利用電隔離型收發(fā)器，將總線節(jié)點(diǎn)的控制電子組件隔離于連接總線的實(shí)際收發(fā)器級(jí)。圖 1 顯示了使用 2-4 線轉(zhuǎn)換器的混合網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 2-4 線轉(zhuǎn)換器可確保半雙工系統(tǒng)和全雙工系統(tǒng)之間的通用性

為了使轉(zhuǎn)換器運(yùn)行不依賴于數(shù)據(jù)速率，我們通過(guò)總線的邏輯狀態(tài)來(lái)控制轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器和接收器的開(kāi)啟和關(guān)閉?？偩€驅(qū)動(dòng)是以每比特間隔，從而讓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行獨(dú)立于信號(hào)數(shù)據(jù)速率。

簡(jiǎn)單的控制邏輯可確保驅(qū)動(dòng)器 D1 和 D2 僅由相反接收器(也即 R1 或者 R2)輸出的邏輯低激活啟用。因榻郵掌魘淙攵舜嬖 VFS > 200 mV 的總線故障保護(hù)電壓，所以在總線閑置期間，兩個(gè)接收器輸出均為邏輯高。逆變器柵極將該邏輯高電平反向?yàn)榈蛻B(tài)，并在關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器的同時(shí)啟用接收器。

在半到全雙工方向(圖 2：自左向右)，R1 輸入端的負(fù)總線電壓激活驅(qū)動(dòng)器 D2，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入使用低態(tài)。D2 通過(guò)以一個(gè)負(fù)輸出電壓驅(qū)動(dòng)傳輸總線來(lái)做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng) R1 輸入的總線電壓變?yōu)檎龝r(shí)，D2 立即失效。但是，它的輸出卻為高電平，原因是故障保護(hù)偏置電阻器 RFS 形成總線電壓 VFS。

(請(qǐng)注意，在整個(gè)運(yùn)行期間，R2 的輸出始終保持高電平，確保 R1 保持有效而 D1 保持無(wú)效。)

圖 2 半雙工到全雙工方向的轉(zhuǎn)換器時(shí)序

在全到半雙工方向(圖 3：自右向左)，R2 輸入端的負(fù)總線電壓激活驅(qū)動(dòng)器 D1，并給驅(qū)動(dòng)器輸入施加低態(tài)。D1 通過(guò)以一個(gè)負(fù)輸出電壓驅(qū)動(dòng)雙線總線做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng) R2 輸入的總線電壓變?yōu)檎龝r(shí)，D1 經(jīng)一段延遲時(shí)間后失效。在該延遲時(shí)間內(nèi)，D1 在出現(xiàn)高阻抗前使用一個(gè)負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)總線，以防止 R1 輸出端出現(xiàn)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。

我們建議，RDCD 時(shí)間常量產(chǎn)生的最小延遲時(shí)間應(yīng)為驅(qū)動(dòng)器最大傳播延遲的 1.3 倍，以補(bǔ)償組件值、逆變器閾值和電源電壓的容差。在給定的電容條件下，可通過(guò)方程式 1 確定要求的 RD 值：

方程式 1

其中，tPLH-max 為驅(qū)動(dòng)器 D2 的最大低到高傳播延遲，VIT+ min 為施密特觸發(fā)逆變器的最小正輸入閾值，而 VCC-max 為最大供電電壓。

在 D1 失效以后，因?yàn)橛泄收媳Ｗo(hù)偏置電阻器 RFS 形成的總線電壓 VFS其輸出仍為高電平。當(dāng) R2 輸入端的總線電壓恢復(fù)負(fù)時(shí)，由于 CD 通過(guò)放電二極管 DD 快速放電D1 立即被激活。圖 3 所示時(shí)序圖顯示，半雙工總線上一個(gè)遠(yuǎn)程接收器(此處以 R 表示)，將負(fù)總線電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)低比特。一個(gè)高比特由一個(gè)低主驅(qū)動(dòng)正總線電壓和剩余故障保護(hù)電壓 VFS 組成。

圖 3 全雙工到半雙工方向的轉(zhuǎn)換器時(shí)序

圖 4 所示最后一個(gè)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)使用兩個(gè)全雙工收發(fā)器：一個(gè)配置為半雙工收發(fā)器;另一個(gè)則為全雙工模式。該轉(zhuǎn)換器擁有高達(dá) 200 kbps 的數(shù)據(jù)速率，并由一個(gè)單 3.3 V 電源供電。表 1 為此電路的材料清單 (BOM)。

表1、雙到四線轉(zhuǎn)換器 BOM

圖 4 雙隔離式二到四線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

兩個(gè)轉(zhuǎn)換器端口的收發(fā)器級(jí)均要求所使用的隔離式電源 VISO-1 和 VISO-2須來(lái)自中央 3.3V 電源。圖 5 為其原理圖。為了避免無(wú)負(fù)載狀態(tài)期間出現(xiàn)輸出峰值要求，每個(gè)整流輸出均包括一個(gè)大小為 2 kΩ 的最小負(fù)載電阻器。

圖 5 VISO-1 和 VISO-2 的隔離式電源設(shè)計(jì)

總結(jié)

二到四線轉(zhuǎn)換器可用于將一個(gè)單半雙工收發(fā)器或者一條完整的半雙工總線，連接至一個(gè)全雙工總線。在將二到四線轉(zhuǎn)換器連接至全雙工總線時(shí)，必須注意的是，在與轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)的微控制器會(huì)改變其全雙工到半雙工的傳輸格式。