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波特率自适应的RS-485光电收发器模块设计
来源:本站整理  作者:佚名  2009-06-12 11:30:38



1 引言
   
RS-485是一种工业领域内广泛使用的通信协议,其显著特点是信号采用“差分”方式传输,因此有效抑制了共模干扰,通信距离也因此大大增加。在不加任何中继设备时,理论传输距离为1.2 km。然而南于工业现场情况错综复杂,各种干扰相互叠加,而RS-485标准规定了最大总线负载为32个,因此在需要进行更长距离传输或者增加更多负载的情况下,有必要使用一种中继设备将信号更准确,更完整地传输到远端设备。光纤和其他传输介质相比具有宽频、低损耗、屏蔽电磁辐射、重量轻等优点,因此设计此款光电收发器能够有效提高信号传输质量和传输距离。

2 总体设计
2.1 使用场合及功能简述
   
RS-485光电收发器模块工作在物理层,设计的每个模块内有两路相互完全独立的光电收发器,每路作用是实现将两线制RS-485差分信号数据与光信号转换。当两线制RS-485传输线长度超过400 m时,信号质量下降,并且很容易受到外部电磁场干扰,此时使用光电收发器作为中继设备连接现场总线,不仅能够增强传输距离,而且可以保证传输中由外部电磁场造成的干扰减小到最低。
2.2 通信系统框架
   
如图l所示,从物理层来看,整个总线被光纤分成两段。此时每路收发器应视为相应段的末端,因此需要在每路收发器中内置终端匹配电阻,使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配,达到消除负载端反射的目的。与此同时,每一路光电收发器在电气性能上占一个节点,因此.每一段总线上所加的485负载应小于30个。

    当现场比较分散时,或RS-485总线两端的设备不在同一建筑物内时,相关设备和模块可以采用如图2所示的方式进行连接,依现场环境而定。

3 设计原理
   
由于RS-485是半双工双向总线,具有多点、双向通信能力,即允许多个I/O模块同时连接到总线上,而且信号传输线上的传输方向不定。因此,在设计RS-485光电收发器模块时,首先重点考虑的就是控制好RS-485收发器的信号传递方向。

3.1 常见的3种RS-485光电收发器原理
   
现有已应用到现场的RS-485光电收发器通常采用以下方法实现:
    (1)采用RC充放电延迟电路配合整形电路控制RS-485收发器的数据收发方向。
    (2)将单片机作为定时器定时控制RS-485收发器数据收发方向。
    (3)采用FPGA(CLPD)监视总线上的数据,当接收端有数据上传时,通过逻辑控制将RS-485收发器调整到接收状态,接收完毕后返回。
    第1种方法采用硬件电路实现,使用阻容延迟电路。缺点是电阻电容本身有一定的误差,使用一段时间后由于老化或其他环境因素,容易导致延迟时间的变化,使模块准确性降低;而且这种方法在传输过程中以字节为单位。要求2个字节之间的通信时间间隔必须大于1个字节数据的通信时间,才能确保不丢失数据,因此降低了通信速率。
    第1、2种方法采用软件控制收发器状态。第2种方法中用单片机检测接收到数据的起始位,单片机中断响应需要时间,并且这个时间必须小于RS-485总线上一个数据位的时间,这样才能够保证不漏掉每一个数据位,因此对传输速率有了一定的限制。第3种方法实际上是对收发器接收的到通信内容进行分析、判断,与此同时控制收发器状态,这种方法属于数据链路层的处理,软件运行时间降低了系统的实时性,同时使得整个通信系统变得更加复杂,也增加了模块成本。
3.2 波特率自适应RS-485光电收发器原理
3.2.1 硬件原理框图
   
该模块采用硬件电路搭建,包括方向控制和整形电路如图3所示。其工作原理:①24 V电源经过隔离DC/DC转换成5 V直流给整个模块供电。②双绞线传输的RS-485信号通过端子引入RS-485差分数据收发器(此处选用SN75HVD06D),支持最大10 MHz传输速率)。空闲状态下RS-485收发器默认状态为收,即接收外部传来的差分信号,将其转换为Rx数字信号,加以驱动后传给HFBR1414转换为光信号,通过光纤传输出去。相反,当有信号输入模块时,首先HFBR2412光头将光信号转换为数字Tx信号,经过整形、延迟处理后,同时控制收发器两个使能端DE、RE。(③T作在半双工方式的RS-485总线,主控单元与从站之间只能采用主从方式交换数据,而工作在总线上的光电收发器,也只能通过光头的输入信号判断信号的传输方向。因此,为了不占用总线的空闲时间,需要对方向控制门的波形作适当整形,可利用上拉下拉电阻保证总线上“1”的状态,而当光头接收到“0”时,则打开方向控制门,使驱动器总线产生“0”。

   

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