2 總體設計
2．1 使用場(chǎng)合及功能簡(jiǎn)述
RS-485光電收發(fā)器模塊工作在物理層，設計的每個(gè)模塊內有兩路相互完全獨立的光電收發(fā)器，每路作用是實(shí)現將兩線(xiàn)制RS-485差分信號數據與光信號轉換。當兩線(xiàn)制RS-485傳輸線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)400 m時(shí)，信號質(zhì)量下降，并且很容易受到外部電磁場(chǎng)干擾，此時(shí)使用光電收發(fā)器作為中繼設備連接現場(chǎng)總線(xiàn)，不僅能夠增強傳輸距離，而且可以保證傳輸中由外部電磁場(chǎng)造成的干擾減小到最低。
2．2 通信系統框架
如圖l所示，從物理層來(lái)看，整個(gè)總線(xiàn)被光纖分成兩段。此時(shí)每路收發(fā)器應視為相應段的末端，因此需要在每路收發(fā)器中內置終端匹配電阻，使負載端輸入阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的。與此同時(shí)，每一路光電收發(fā)器在電氣性能上占一個(gè)節點(diǎn)，因此．每一段總線(xiàn)上所加的485負載應小于30個(gè)。
當現場(chǎng)比較分散時(shí)，或RS-485總線(xiàn)兩端的設備不在同一建筑物內時(shí)，相關(guān)設備和模塊可以采用如圖2所示的方式進(jìn)行連接，依現場(chǎng)環(huán)境而定。
3 設計原理
由于RS-485是半雙工雙向總線(xiàn)，具有多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)I/O模塊同時(shí)連接到總線(xiàn)上，而且信號傳輸線(xiàn)上的傳輸方向不定。因此，在設計RS-485光電收發(fā)器模塊時(shí)，首先重點(diǎn)考慮的就是控制好RS-485收發(fā)器的信號傳遞方向。
3．1 常見(jiàn)的3種RS-485光電收發(fā)器原理
現有已應用到現場(chǎng)的RS-485光電收發(fā)器通常采用以下方法實(shí)現：
(1)采用RC充放電延遲電路配合整形電路控制RS-485收發(fā)器的數據收發(fā)方向。
(2)將單片機作為定時(shí)器定時(shí)控制RS-485收發(fā)器數據收發(fā)方向。
(3)采用FPGA(CLPD)監視總線(xiàn)上的數據，當接收端有數據上傳時(shí)，通過(guò)邏輯控制將RS-485收發(fā)器調整到接收狀態(tài)，接收完畢后返回。
第1種方法采用硬件電路實(shí)現，使用阻容延遲電路。缺點(diǎn)是電阻電容本身有一定的誤差，使用一段時(shí)間后由于老化或其他環(huán)境因素，容易導致延遲時(shí)間的變化，使模塊準確性降低；而且這種方法在傳輸過(guò)程中以字節為單位。要求2個(gè)字節之間的通信時(shí)間間隔必須大于1個(gè)字節數據的通信時(shí)間，才能確保不丟失數據，因此降低了通信速率。
第1、2種方法采用軟件控制收發(fā)器狀態(tài)。第2種方法中用單片機檢測接收到數據的起始位，單片機中斷響應需要時(shí)間，并且這個(gè)時(shí)間必須小于RS－485總線(xiàn)上一個(gè)數據位的時(shí)間，這樣才能夠保證不漏掉每一個(gè)數據位，因此對傳輸速率有了一定的限制。第3種方法實(shí)際上是對收發(fā)器接收的到通信內容進(jìn)行分析、判斷，與此同時(shí)控制收發(fā)器狀態(tài)，這種方法屬于數據鏈路層的處理，軟件運行時(shí)間降低了系統的實(shí)時(shí)性，同時(shí)使得整個(gè)通信系統變得更加復雜，也增加了模塊成本。
3．2 波特率自適應RS-485光電收發(fā)器原理
3．2．1 硬件原理框圖
該模塊采用硬件電路搭建，包括方向控制和整形電路如圖3所示。其工作原理：①24 V電源經(jīng)過(guò)隔離DC／DC轉換成5 V直流給整個(gè)模塊供電。②雙絞線(xiàn)傳輸的RS－485信號通過(guò)端子引入RS－485差分數據收發(fā)器(此處選用SN75HVD06D)，支持最大10 MHz傳輸速率)?？臻e狀態(tài)下RS-485收發(fā)器默認狀態(tài)為收，即接收外部傳來(lái)的差分信號，將其轉換為Rx數字信號，加以驅動(dòng)后傳給HFBR1414轉換為光信號，通過(guò)光纖傳輸出去。相反，當有信號輸入模塊時(shí)，首先HFBR2412光頭將光信號轉換為數字Tx信號，經(jīng)過(guò)整形、延遲處理后，同時(shí)控制收發(fā)器兩個(gè)使能端DE、RE。(③T作在半雙工方式的RS-485總線(xiàn)，主控單元與從站之間只能采用主從方式交換數據，而工作在總線(xiàn)上的光電收發(fā)器，也只能通過(guò)光頭的輸入信號判斷信號的傳輸方向。因此，為了不占用總線(xiàn)的空閑時(shí)間，需要對方向控制門(mén)的波形作適當整形，可利用上拉下拉電阻保證總線(xiàn)上“1”的狀態(tài)，而當光頭接收到“0”時(shí)，則打開(kāi)方向控制門(mén)，使驅動(dòng)器總線(xiàn)產(chǎn)生“0”。
圖4為工作過(guò)程中的波形．方向控制門(mén)默認為低，接收端數據默認為高。當發(fā)送端發(fā)送數據位“1”時(shí)，方向控制門(mén)關(guān)閉：發(fā)送數據位“0”時(shí)，方向控制門(mén)延遲一小段時(shí)間后打開(kāi)。此時(shí)，接收端完全接收發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，直到方向控制門(mén)關(guān)閉。
3．2．2 波特率自適應原理
波特率自適應光電收發(fā)器的設計思路是：通過(guò)方向控制門(mén)控制RS-485收發(fā)器收發(fā)狀態(tài)，以一個(gè)數據位的時(shí)間寬度為單元，若收發(fā)狀態(tài)時(shí)間寬度適應于任意波特率，則該光電收發(fā)器可以適應任何速率的數據傳輸，電路結構目如網(wǎng)5所示。
圖5中外部數字信號流入模塊時(shí)，首先通過(guò)一個(gè)RC延遲電路將信號延遲一小段時(shí)間(R×C)，然后通過(guò)一個(gè)二輸入與非門(mén)接入RS-85 收發(fā)器的兩個(gè)使能端，使能端通過(guò)下拉電阻R2保證默認狀態(tài)為RE使能，即默認為收(數據從左向右)；當有“0”信號流入時(shí)，收發(fā)器自動(dòng)切換到DE使能，即為發(fā)送狀態(tài)(數據從右向左)，此時(shí)收發(fā)器將完全接收外部輸入的信號，而當輸入由“0”變?yōu)椤?”時(shí)，方向控制門(mén)關(guān)閉，RS-485收發(fā)器呈現高阻狀態(tài)。此時(shí)設置在差分信號端的匹配電阻構成偏置電路，為差分信號提供高電平。
由圖5可看出，這樣做會(huì )對信號的完整性造成一定的損失，但是如果延遲時(shí)間與數據位的時(shí)間相比很小時(shí)，這種處理方法便不會(huì )影響數據的準確性。因此，應當根據最大傳輸速率選好尺，R3、C1的值和延遲時(shí)間，才能保證在波特率自適應過(guò)程中不會(huì )對信號質(zhì)量造成影響。
3.3 光電轉換簡(jiǎn)介
該模塊采用HFBR-1414、HFBR-2412光電收發(fā)器，兩器件配對使用，將電信號和光信號進(jìn)行互轉，一收一發(fā)，實(shí)現模塊功能。
對于一般的工業(yè)場(chǎng)合，在帶寬不是很大的情況下，多模光纖已經(jīng)能夠達到工業(yè)級要求，其傳輸距離可以達到幾公里，對于RS-485總線(xiàn)來(lái)說(shuō)已經(jīng)綽綽有余。同時(shí)考慮到成本因素，該模塊推薦使用多模光纖為介質(zhì)進(jìn)行傳輸。
4 結語(yǔ)
經(jīng)測試，該模塊能夠在500 Kb／s及以下的速率正常運行，達到了設計要求。相對于軟件方法實(shí)現的中繼設備更加簡(jiǎn)潔和準確。該模塊和一般的RS-485、RS-232中繼設備相比，不但在傳輸距離上有很大提高，而且由于使用光纖，在抗干擾度方面也有突出優(yōu)勢，可用于工業(yè)現場(chǎng)的任何一個(gè)環(huán)節。
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