O 引言
PROFIBUS-DP現場總線以其高速、低成本等優點而廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇自動化等行業，它的物理層數據傳輸依賴RS-485接口。RS-485接口是一種工業領域內廣泛使用的串行通信接口，可采用“差分”方式在屏蔽雙絞線中傳輸信號，因而具有較好的抗共模干擾能力，通信距離可達千米。PROFIBUSDP總線信號也可使用屏蔽雙絞線傳輸，數據速率為9.6 kbps時的理論傳輸距離為1200米，波特率為12：Mbps時的理論傳輸距離為100米。但是，由于工業現場情況錯綜復雜，各種干擾相互疊加，且RS-485標準規定單段網絡最多可支持32個節點(標準負載)，因此，有必要使用一種中繼設備來將信號更準確、更完整地傳輸到遠端設備。而光纖和其他傳輸介質相比具有寬頻、低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕等優點，因此，用光電收發器實現兩線制DP(RS-485)差分信號數據與光信號之間的轉換，能夠有效的提高信號傳輸距離和傳輸質量，從而提高系統的可靠性與穩定性。
1 光電收發模塊的配置原理
本光電收發模塊的使用配置如圖1所示。從物理層來說，原來的一個網段被光纖分成兩段，此時。收發器應視為相應段的總線末端，因此，在收發器中默認內置了有終端匹配電阻，以使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，從而達到消除負載端信號反射的目的。每一個光電收發器在電氣性能上都占一個節點，因此，每段總線上最多可以帶30個標準RS-485負載設備。
2 總體設計方案
圖2所示是光電收發器的硬件結構框圖。該設計方案整體上由DP總線數據收發部分、光纖數據收發部分和數據傳輸方向控制部分組成。 FPGA作為主控制器負責控制數據傳輸的方向、檢測波特率和數據交換功能。其中電源部分采用隔離的DC/DC來減少外部電路的影響。電端DP總線的RS-485收發器可選用SN75HVD06D，該芯片可支持10 Mbps數據速率;而光端的數據接收器和發送器則可選擇AVAGO公司的光發送器HFBR-14x4Z和光接收器HFBR-24x2Z，它們在50mA電流驅動下，其62.5/125μm的多模光纖傳輸距離可達2 km。FPGA芯片選用ALTERA公司的Cvclone系列芯片EPlC3T144C8N，該芯片有2910個LE單兀、1個PLL和144個IO引腳，且性價比較高。
3 FPGA邏輯設計
FPGA包括數據傳輸方向檢測功能塊、波特率檢測功能塊、數據交換功能塊等三個邏輯功能塊。它們的電端和光端都默認為接收狀態。數據傳輸方向檢測功能塊用于判斷哪個端口先來數據，然后把該端口數據輸出到波特率檢測功能塊以檢測其數據波特率，數據交換功能塊可根據確定好的數據傳輸方向和波特率來切換RS-485收發器的收發狀態，并最終實現數據的光電轉換傳輸。該三個邏輯功能塊之間的關系如圖3所示。
3.1 數據傳輸方向檢測邏輯
PROHBUS-DP總線協議的傳輸依賴RS-485接口，故在總線空閑狀態下，依靠RS-485接口前端的上拉和下拉電阻即可保證總線上的電平為“1”，RS-485收發器一般默認為接收狀態。由于RS-485數據傳輸為半雙工方式，同一時刻。線上的數據傳輸方向是單向的，且傳輸數據字節的起始位為低電平，這樣，就可以根據電端接收數據和光端接收數據的低電平到來的先后順序來判斷數據的傳輸方向是從電端到光端，還是從光端到電端。為了避免由于線路上的干擾或者數據收發元器件的特性造成的毛刺，可對接收到的電端數據和光端數據先進行濾波去抖動處理。圖4所示為數據傳輸方向檢測流程圖。
3.2 波特率檢測邏輯
首先應對由數據傳輸方向檢測功能塊選擇輸出的數據進行濾波。不同的波特率分別用相應的時鐘對濾波后的數據進行采樣，若采到連續16個“1”，則說明總線目前處于空閑狀態，下一個到來的低電平既是數據字節的起始位，之后即可開始接收數據，在一個字節(8 bits)的數據接收完畢后，即可判斷接收到的數據是否為關鍵字(關鍵字為PROFIBUS-DP總線協議數據幀的開始定界符SDx)。如果某一波特率連續找到3次關鍵字，則將其它波特率連續找到關鍵字的次數清零。并將原來已經確定的波特率位清零。而當該波特率連續找到6次關鍵字時，則代表找到了新的波特率，此時可將剛找到的波特率確定為當前系統通訊速率，并將相應標志位置1。
3.3 數據交換邏輯
數據傳輸方向和波特率確定之后，就可以進行電端和光端的數據交換了。當數據傳輸方向為電端到光端時，電端RS-485收發器處于接收狀態，數據由電端經光發送器發送到光端線線路上;當數據傳輸方向為光端到電端時，在起始位數據“0”發送完畢之后，即可將電端RS-485收發器改為發送狀態，在經過10個當前通訊波特率的bit時間后，再將RS-485收發器改為接收狀態，并等待接收新的數據。圖5所示為數據交換流程圖。
4 結束語
該設計的創新點在于其采用FPGA硬件實現光電信號之間的轉換，可以自適應波特率變化，并自動檢測波特率變化。能支持PROFIBUS-DP協議規定的所有波特率，且轉發數據無錯包。與一般的RS-485中繼設備相比，不但在傳輸距離和總線的負載能力上有很大提高。而且在抗干擾和通訊的穩定性方面也有突出優勢，可用于各種的PROFIBUS-DP總線工業現場。