微功耗RS485中繼器的研制

引 言：

　　在通信距離為幾十米到上千米時，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RS485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)。它的設(shè)備簡單、價格低廉、能進行長距離通信，故在工程項目中得到了廣泛應(yīng)用。但是如果工程需要更長的通信距離，超出RS485接口能夠提供的可靠傳送數(shù)據(jù)范圍時，單一的RS485通信控制芯片對就無法完成了。這時，必須在傳輸線路中增加中繼器。

　　筆者在長期實踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種微功耗的RS485中繼器，經(jīng)實地測試，通信距離可達原來的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，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，單片待機時電流為10 μA，其他邏輯電路均采用HC型，待機電流2 μA，大大降低了系統(tǒng)功耗。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1原理圖

　　低待機電流和真失效保護是該應(yīng)用的兩個關(guān)鍵特性。RS485是一種半雙工通信標(biāo)準(zhǔn)，必須控制好總線的收發(fā)狀態(tài)。當(dāng)RS485輸入開路，或者已經(jīng)終端匹配且沒有驅(qū)動的情況下，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，則在U1的RO端將產(chǎn)生一個電壓躍變，由觸發(fā)器74HC74及與非門74HC00組成的狀態(tài)機在RO的下降沿鎖定為ON狀態(tài)。狀態(tài)機將U2的驅(qū)動器使能引腳（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)機一直監(jiān)視RO引腳的電壓躍變。當(dāng)一個數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸完成時（當(dāng)在一個內(nèi)定的時間間隔內(nèi)沒有下降沿加在狀態(tài)機上時，即表示字節(jié)傳輸完畢），狀態(tài)機自動復(fù)位，并等待任何一側(cè)接口上的下一個數(shù)據(jù)字節(jié)。

　　一幀數(shù)據(jù)到達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。其他的時間延遲可以通過調(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U2后，將被轉(zhuǎn)發(fā)至U1的A1端口和B1端口輸出。這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且由于中繼的原因，理論上通信距離會增至原來的2倍。

2 測試結(jié)果

　　使用泰克示波器TDS2012觀察接收和發(fā)送端的波形，并加以存儲分析，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，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，波形的上升沿和下降沿都很陡，說明數(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)機結(jié)構(gòu)，能夠自動識別數(shù)據(jù)傳輸方向，比采用軟件控制方向更加方便、可靠，達到了設(shè)計要求。

　　另外，在系統(tǒng)允許的情況下，波特率應(yīng)盡可能低，因為過高的波特率將致使傳輸距離受限。由于傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗引起信號畸變，從而通信距離受到限制。從實驗結(jié)果總結(jié)看，有中繼器的數(shù)據(jù)傳輸波特率不宜超過14400。增加中繼器后通信距離為原來的1.8倍。

　　功耗方面，在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇龣C狀態(tài)，用微安表測得整機功耗電流約為22 μA（供電電壓3 V）。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2波形圖

結(jié)語
　　在對RS485總線理論深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計了一種完全由硬件組成的RS485中繼器。經(jīng)過實地測試，收到了良好的效果；同時采用了3 V的低功耗芯片，使它非常適宜工作在電池供電的場合。這對于單片機及其他系統(tǒng)的長距離通信有一定的參考價值。