實用四線制全雙工RS-485中繼器

1.引言

理論上RS-485的最大傳輸距離為4000英尺(約1219米)，最大傳輸速率為10Mb/s.但其平衡雙絞線的傳輸距離與傳輸速率成反比，只有在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。要獲得最高速率傳輸只能在很短的傳輸距離下連接。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s.想要保證較高傳輸速率，又有較遠的傳輸距離，采用中繼器是一個便捷的方法。中繼器可以將較長的傳輸線分隔成兩段，從而減低傳輸線的歐姆阻抗、線間電容、集膚效應等引起的信號畸變，從而保證在較高傳輸速率下，增加傳輸距離。

RS-485有兩線制和四線制兩種接線方式，采用二線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，只能實現點對多的全雙工通信，即只能有一個主(Master)設備，其余為從設備。無論四線還是二線連接方式，總線上均可掛接多達128個設備。

以下介紹一種筆者在長期實踐的基礎上，設計的實用四線制全雙工RS-485中繼器。

2.四線制中繼器原理

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，負責對RS-485串行數據進行中繼轉發(fā)，采用Maxim公司的3.3V低功耗全雙工RS-485收發(fā)器芯片MAX3491,單片待機時電流為1mA,U3、U4均采用HC型邏輯電路，待機電流更小，大大降低了整機功耗。

由于MAX3491芯片已內置網絡失效保護電路，所以只需要在傳輸線上簡單匹配120歐姆的終端電阻即可。

U3與U4按圖1連接，組成兩個一模一樣的數據脈沖監(jiān)測電路，分別監(jiān)測TXD和RXD總線上是否有數據脈沖，當檢測到有數據脈沖時，就會使能對應的驅動器，讓數據脈沖以RS-485電平轉發(fā)出去。

發(fā)送總線TXD和接收總線RXD上都沒數據時，圖1的Ro及To處均為高電平，Re和Te處則為低電平，對應的驅動器都關閉，為低功耗待機狀態(tài)。當J1的3、4腳，即接收總線RXD上有數據時，經U2的接收器解調后由2腳輸出，送到U1的驅動器的輸入端5腳。同時Ro端的下降沿使得電容C1放電為低電平，經U3B后解除觸發(fā)器U4A的置零狀態(tài)，同時Ro端的下降沿經U3A后，使觸發(fā)器U4A的置位，Re變?yōu)楦唠娖?，使能U1的驅動器將5腳輸入的數據以RS-485電平轉發(fā)出去。當一個數據字節(jié)傳輸完成時，即當在一個內定的時間間隔內Ro沒有下降沿發(fā)生，經R1對C1充電到位，會令觸發(fā)器U4A進入置零狀態(tài)，Re變低電平令驅動器關閉，并等待下一個數據字節(jié)來臨。改變R1的數值可以調整時間間隔的長短，按圖1的數值時間間隔約為700μs.

同樣的，發(fā)送總線TXD上有數據時，經以上的同樣流程，數據亦會經由U1、U2轉發(fā)出去。這樣就實現了數據的雙向中繼傳輸。

由于RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，沒有硬性指定接插件端子分配，應用中可以按實際靈活調整設計。圖1中J1、J2端子是按照Nport5150標準的接口定義來分配的。

Nport5150的接口定義如圖2所示，它支持232、422、485三種連接方式。本設計引用其中的四線制RS-485定義。

3.結語

如圖1所示四線制RS485中繼器，除接插件J1-J3以及電解電容用直插元件外，其余全部用貼片元件，整個電路板設計可以壓縮為火柴盒大小。實體電路經過實地測試，性能滿足設計要求，收到了良好的效果;采用了低功耗芯片，整機功耗很低，同時小體積的設計使它容易融合進各種工業(yè)組網應用的布線環(huán)境。