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如何設(shè)計(jì)一款2-4線轉(zhuǎn)換器,適用于RS-485?

發(fā)布時(shí)間:2013-01-23 責(zé)任編輯:abbywang

【導(dǎo)讀】對(duì)于Profibus、Modbus 和 BACnet 等多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),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。使用二到四線轉(zhuǎn)換器可將一個(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。如何設(shè)計(jì)一款適用于RS-485的2-4 線轉(zhuǎn)換器呢?


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
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)器和接收器的開啟和關(guān)閉。總線驅(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?yàn)榻邮掌鬏斎攵舜嬖?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
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)開關(guān)瞬態(tài)。

我們建議,RD?CD 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,可通過方程式 1 確定要求的 RD 值:
方程式
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 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
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)
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)
圖 5 :VISO-1 和 VISO-2 的隔離式電源設(shè)計(jì)

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。
 

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