微功耗RS485中继器研制

引 言
　　
在通信距离为几十米到上千米时，RS485收发器被广泛使用。RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
　　
使用RS485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统。它的设备简单、价格低廉、能进行长距离通信，故在工程项目中得到了广泛应用。但是如果工程需要更长的通信距离，超出RS485接口能够提供的可靠传送数据范围时，单一的RS485通信控制芯片对就无法完成了。这时，必须在传输线路中增加中继器。
　　
笔者在长期实践的基础上，设计了一种微功耗的RS485中继器，经实地测试，通信距离可达原来的1.8倍。

1 中继器原理
　　
中继器原理图如图1所示。其中，U1和U2是中继器的收发芯片对，负责数据的收发或发收，采用Sipex公司的3 V低功耗芯片SP3485，单片待机时电流为10 μA，其他逻辑电路均采用HC型，待机电流2 μA，大大降低了系统功耗。
　　

图1 原理图
　　
低待机电流和真失效保护是该应用的两个关键特性。RS485是一种半双工通信标准，必须控制好总线的收发状态。当RS485输入开路，或者已经终端匹配且没有驱动的情况下，U1和U2将使其接收端输出（RO）为高电平。在差分输入端A1和B1处，如果有输入的字节数据时，则在U1的RO端将产生一个电压跃变，由触发器74HC74及与非门74HC00组成的状态机在RO的下降沿锁定为ON状态。状态机将U2的驱动器使能引脚（DE）拉为高电平，使输入数据字节从U2以RS485电平转发出去。
　　
状态机一直监视RO引脚的电压跃变。当一个数据字节传输完成时（当在一个内定的时间间隔内没有下降沿加在状态机上时，即表示字节传输完毕），状态机自动复位，并等待任何一侧接口上的下一个数据字节。
　　
一帧数据到达U1后，被转发至U2的A2端口和B2端口输出。在最后一次跳变700 μs后U2释放其输出。其他的时间延迟可以通过调整图1中的R1/C1和R2/C2得到。
　　
同样，如果一帧数据到达U2后，将被转发至U1的A1端口和B1端口输出。这样就实现了数据的双向传输，并且由于中继的原因，理论上通信距离会增至原来的2倍。

2 测试结果
　　
使用泰克示波器TDS2012观察接收和发送端的波形，并加以存储分析，如图2所示。
　　
其中，垂直刻度为1 V/格，水平刻度为400 μs/格；上部波形表示一帧数据到来，中间和下部波形分别表示被转发至B2和A2。由图2可见，波形的上升沿和下降沿都很陡，说明数据电平比较规范，失真度很小。并且由于采用了状态机结构，能够自动识别数据传输方向，比采用软件控制方向更加方便、可靠，达到了设计要求。
　　
另外，在系统允许的情况下，波特率应尽可能低，因为过高的波特率将致使传输距离受限。由于传输线的欧姆阻抗、集肤效应等损耗引起信号畸变，从而通信距离受到限制。从实验结果总结看，有中继器的数据传输波特率不宜超过14400。增加中继器后通信距离为原来的1.8倍。
　　
功耗方面，在没有数据传输的待机状态，用微安表测得整机功耗电流约为22 μA（供电电压3 V）。
　　

　　　
图2 波形图

结语
　　
在对RS485总线理论深入分析的基础上，结合实际应用，设计了一种完全由硬件组成的RS485中继器。经过实地测试，收到了良好的效果；同时采用了3 V的低功耗芯片，使它非常适宜工作在电池供电的场合。这对于单片机及其他系统的长距离通信有一定的参考价值。