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          信號鏈基礎知識 67:如何設計一款適用 RS-485 的 2-4 線轉(zhuǎn)換器

          作者: 時間:2013-01-22 來源:網(wǎng)絡 收藏

          多點數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,例如:Profibus、Modbus 和 BACnet 等通常均要求具備 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)可以擴展至數(shù)百米長,并承受較大的接地電位差 (GPD)。這些電位差會超出收發(fā)器的共模電壓范圍,對器件造成損壞。為了消除 GPD,我們利用電隔離型收發(fā)器,將總線節(jié)點的控制電子組件隔離于連接總線的實際收發(fā)器級。圖 1 顯示了使用 2-4 線的混合網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)圖。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/153604.htm
          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

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

          為了使運行不依賴于數(shù)據(jù)速率,我們通過總線的邏輯狀態(tài)來控制轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器和接收器的開啟和關閉??偩€驅(qū)動是以每比特間隔,從而讓轉(zhuǎn)換器運行獨立于數(shù)據(jù)速率。

          簡單的控制邏輯可確保驅(qū)動器 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 的總線故障保護電壓,所以在總線閑置期間,兩個接收器輸出均為邏輯高。逆變器柵極將該邏輯高電平反向為低態(tài),并在關閉驅(qū)動器的同時啟用接收器。

          在半到全雙工方向(圖 2:自左向右),R1 輸入端的負總線電壓激活驅(qū)動器 D2,并對驅(qū)動器輸入使用低態(tài)。D2 通過以一個負輸出電壓驅(qū)動傳輸總線來做出相應的響應。當 R1 輸入的總線電壓變?yōu)檎龝r,D2 立即失效。但是,它的輸出卻為高電平,原因是故障保護偏置電阻器 RFS 形成總線電壓 VFS。

          (請注意,在整個運行期間,R2 的輸出始終保持高電平,確保 R1 保持有效而 D1 保持無效。)

          圖 2 半雙工到全雙工方向的轉(zhuǎn)換器時序

          圖 2 半雙工到全雙工方向的轉(zhuǎn)換器時序

          在全到半雙工方向(圖 3:自右向左),R2 輸入端的負總線電壓激活驅(qū)動器 D1,并給驅(qū)動器輸入施加低態(tài)。D1 通過以一個負輸出電壓驅(qū)動雙線總線做出相應的響應。當 R2 輸入的總線電壓變?yōu)檎龝r,D1 經(jīng)一段延遲時間后失效。在該延遲時間內(nèi),D1 在出現(xiàn)高阻抗前使用一個負電壓驅(qū)動總線,以防止 R1 輸出端出現(xiàn)開關瞬態(tài)。

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

          方程式 1.jpg

          方程式 1

          其中,tPLH-max 為驅(qū)動器 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,因為有故障保護偏置電阻器 RFS 形成的總線電壓 VFS其輸出仍為高電平。當 R2 輸入端的總線電壓恢復負時,由于 CD 通過放電二極管 DD 快速放電D1 立即被激活。圖 3 所示時序圖顯示,半雙工總線上一個遠程接收器(此處以 R 表示),將負總線電壓轉(zhuǎn)換為一個低比特。一個高比特由一個低主驅(qū)動正總線電壓和剩余故障保護電壓 VFS 組成。

          圖 3 全雙工到半雙工方向的轉(zhuǎn)換器時序

          圖 3 全雙工到半雙工方向的轉(zhuǎn)換器時序

          圖 4 所示最后一個轉(zhuǎn)換器使用兩個全雙工收發(fā)器:一個配置為半雙工收發(fā)器;另一個則為全雙工模式。該轉(zhuǎn)換器擁有高達 200 kbps 的數(shù)據(jù)速率,并由一個單 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

          表1、雙到四線轉(zhuǎn)換器 BOM.jpg

          圖 4 雙隔離式二到四線轉(zhuǎn)換器設計

          圖 4 雙隔離式二到四線轉(zhuǎn)換器

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

          圖 5 VISO-1 和 VISO-2 的隔離式電源設計

          圖 5 VISO-1 和 VISO-2 的隔離式電源

          總結(jié)

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



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