基于CPLD的自适应RS-485异步数据光纤中继器设计

　　RS-485半双工方式用两线双向传送差分信号，具有多点传输、双向通信等优点，在工业应用中得到了广泛应用。但是，它的传输距离仅为1200m，因而在一些远距离传输中受到了制约。而光纤通信具有传输距离远、抗干扰能力强、保密性好等特点，在工业领域中的运用也越来越多。本文设计的中继器基于CPLD的自适应速率光纤中继器，能够很好地解决传输距离问题。

　　系统实现方案

　　RS-485光纤中继器主要完成的功能是将RS-485数据信号转换为光信号，通过光纤传输到另外一端，同时将另外一端传输过来的光信号转换为RS-485信号。光纤中继器的原理框图如图1所示。系统正常工作时主要有三个状态：a）空闲状态；b)数据从RS-485收发器U1边的总线往RS-485收发器U2边的总线传送(简称“正向传输”)；c)数据从RS-485收发器U2边的总线往RS-485收发器U1边的总线传送(简称“反向传输”)。

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　　光纤中继器上电或者总线上没有数据传输，RS-485光纤中继器处于空闲状态，U1和U2均处于接收状态。

　　当RS-485收发器U1检测到连接其A、B引脚总线上的差分信号有低电平数据正向传输时，RO输入到可编程芯片进行取反，然后变成高电平再变为光信号传输；在另外一端将接收到的光信号变成电信号，输入到可编程芯片将高电平信号直接输出到EN2作为U2的驱动信号，同时将高电平取反后作为DI信号，此时MAX481的A、B脚输出低电平。当RS-485收发器U1正向传输高电平时光模块不发光，对端光中继器EN2为低电平，RS-485收发器MAX481输出为高阻，由于外部的上拉电阻和下拉电阻作用，U2的A引脚为高电平，B引脚为低电平。

　　数据反向传输同正向传输一致。

　　硬件电路

　　此自适应RS-485光纤中继器硬件电路比较简单，可分为接口部分、CPLD部分和光电转换部分。

　　接口部分

　　接口芯片采用美信（MAXIM）公司生产的RS-485/RS-422半双工收发器MAX481芯片，该芯片具有低功耗、高速率、价格低等优势，其传输速率达2.5Mbit/s，可以满足常用的工业现场应用所需速率。

　　MAX481采用8脚SO封装，其外围电路非常简单。在VCC脚接一个10μF和一个0.1μF的电容到地以滤掉电源纹波干扰，另外在A、B引脚间加上匹配电阻。为防止干扰信号误触发RO（接收器输出）产生负跳变，使接收端进入接收状态。详细电路图如图2所示。

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　　CPLD部分

　　CPLD采用LATTICE公司的M4A5-128/64芯片，该芯片工作电压为+5V，内部有128个宏单元，64个通用I/O管脚。封装形式有100-pin TQFP，100-pin PQFP以及100-ball caBGA，本设计选用的是PQFP封装。其外围电路比较简单，所有VCC引脚接+5V电源，并在靠近引脚的地方接一个0.1μF的电容到地，以滤掉电源纹波干扰。TDI、TCK、TMS、TDO、TRST、ENABLE为ISP在线可编程引脚，一般不作它用。其他通用I/O都可以作为输入、输出引脚，连接MAX481ESA或者光收发模块。

　　为了在上电时使系统进入接收状态，需要在CPLD外接一个复位电路，见图3。

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　　光电转换部分

　　目前市场上有许多低速的TTL驱动光收发模块，可以直接购买使用，这使设计变得更加简单。本设计中采用的是2M光收发模块，可传输直流到2Mbit/s的数据，能满足大多数工业现场应用所需的速率。此部分电路非常简单，在此不再赘述。

　　软件设计

　　软件部分相对比较简单，由于传输的是低电平，而光模块是高电平发光，所以将MAX481ESA的RO引脚信号取反，然后送给光模块的发射部分；光模块的接收部分接收到光信号后变成电信号，分成两路，一路直接作为MAX481ESA的EN信号，另一路在CPLD中取反后作为MAX481ESA的DI信号。用VHDL编写的程序如下：

　　IF RESET='0' THEN --上电复位

　　EN='0';

　　TX<='0'; --TX光模块发射脚;RX光模块接收脚

　　DI<='1';

　　ELSE

　　EN<=RX;

　　TX<=NOT RO; --取反，有低电平数据时发光

　　DI<=NOT RX;

　　END IF;

　　实际应用中发现，数据速率较低时，系统可以正常通信，但当速率过高后就会出现严重误码情况。经过仔细测试分析后得知是EN高电平宽度不够引起的。EN的高电平宽度决定了芯片驱动的时间，并且芯片也有一定的响应时间，为了保证系统的通信正常，需要在原来的基础上将EN的高电平宽度展宽。由于该系统使用了CPLD可编程逻辑芯片，所以不需要外加电路就可以通过CPLD来调整EN的高电平宽度。改进后的VHDL程序如下：

　　SIGNAL Q:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);

　　begin

　　PROCESS(RX,CLK)

　　BEGIN

　　IF RESET='0' THEN

　　Q<="1111";

　　EN<='0';

　　TX<='0';

　　ELSIF RX='1' THEN

　　Q<="0000";

　　EN<='1';

　　TX<=NOT RO;

　　DI<=NOT RX;

　　ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

　　Q<='1'&Q(3 DOWNTO 1);

　　EN<=NOT((NOT RX) AND Q(2) );

　　TX<=NOT RO;

　　DI<=NOT RX;

　　END IF;

　　END PROCESS;

　　从图4可以看出，EN的高电平宽度已经被扩展了3个时钟(clk)周期，可以根据实际需要设置小于RS-485总线波特率的数据位的时间宽度。如果时间宽度不够，只需修改程序即可。

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　　图5显示了速率为625Kbit/s的情况下用示波器在接收端测得的波形。其中(a)图是未改进时测试的波形，可以看出误码十分严重，与发端的波形完全不同；b)图为改进后测试的波形，与发端波形完全一致。由此可见，经过CPLD展宽EN后，解决了RS-485数据速率过高时的误码情况。

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　　由于本光纤收发器为半双工传输方式，因此在同一时刻正向传输和反向传输不能同时进行，否则将发生冲突。另外，当总线上干扰较大时也可能发生冲突，此时总线上的数据信号是无效的，中继器并不对冲突做出处理。但是当冲突结束后，可由中继器中的可编程逻辑芯片对中继器进行复位，使其能正常工作。

　　结束语

　　基于CPLD的自适应RS-485异步数据光纤中继器电路比较简单，且体积小、成本低，可应用于多种场合。此外，稍加改进还可以制作成多路RS-485异步数据光纤收发器。实践证明，当传输速率为2Mbit/s时，系统工作稳定正常，误码率仅为10-11。