《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 解決方案 > 信號鏈基礎(chǔ)知識67:如何設(shè)計(jì)一款適用RS-485的2-4線轉(zhuǎn)換器

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

2013-01-22

作者:Thomas Kugelstadt,德州儀器 (TI) 應(yīng)用工程師

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,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。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,我們通過總線的邏輯狀態(tài)來控制轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器和接收器的開啟和關(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)立于信號數(shù)據(jù)速率。

簡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 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

標(biāo)識符

功能

器件

制造廠商

U1, U2

隔離式、半雙工收發(fā)器

ISO35DW

TI

U3

雙施密特觸發(fā)逆變器

SN74LVC2G14DBV

RPU

上拉電阻器

  4.7 kΩ

威世(Vishay)

RFS

故障保護(hù)電阻器

 348 Ω

RT

端接電阻器

 120 Ω

RD

延遲電阻器

   10 kΩ

CB

旁路電容器

  0.1 μF

CD

延遲電容器

100 pF

DD

放電二極管

1N4448




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(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。

參考文獻(xiàn)

《RS-422 和 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)概述與系統(tǒng)配置》
(http://www.ti.com.cn/analog/cn/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=slla070d&docCategoryId=1&familyId=768 )

作者:Kevin Zhang, Clark Kinnaird 和 Thomas Kugelstadt。

如需進(jìn)一步了解TI 接口解決方案的更多詳情,敬請?jiān)L問:
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/interface.page。

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。