信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)之設(shè)計(jì)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(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)榻邮掌鬏斎攵舜嬖赩FS>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：

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