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RS-485 애플리케이션용 데이터 레이트 독립 하프 듀플렉스 리피터(half-duplex repeater)를 어떻게 설계하는가는 엔지니어들이 자주 겪는 문제이다. 최대 케이블 길이인 1,200m를 초과하는 장거리 네트워크를 설계하거나, 혹은 기존 네트워크에 스터브(stub)를 붙이거나 스타 토폴로지(star topology)를 이용한 네트워크 설계를 대표적인 예로 들 수 있다. 이 때 적용되는 데이터 레이트는 10kbps부터 200kbps까지 시스템에 따라 달라질 수 있다.
원거리 노드들 사이의 GPD(Ground-potential differences)는 대부분의 버스 트랜시버의 최대 공통모드 전압을 초과하는 전압을 띨 수 있고, 네트워크 노드 전자와 버스 사이에 필요한 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 만들 수 있다.
참고문헌 1을 보면, 케이블 길이와 데이터 레이트의 특성 비교를 통해 1,200m 또는 약 4,000ft의 최대 케이블 길이를 사용해야 한다는 것을 알 수 있다(그림 1).
그림 1. 케이블 길이와 데이터 레이트의 비교
이 길이에서 공통 적용되는 120Ω, AWG24 UTP(Unshielded Twisted-Pair)의 저항은 종단 레지스터(termination resistor) 값에 접근하며 버스 신호 스윙을 절반인 6dB까지 줄여준다.
RS-485의 자료, 트랜시버 데이터시트에는 종종 간소함을 위해 풀 듀플렉스(full-duplex) 리피터 설계가 등장한다. 그러나 장거리 네트워크에서는, 수 천 미터의 풀 듀플렉스 케이블을 운영하는 것은 바람직하지 못하다. 케이블과 배선에 너무 많은 비용이 들기 때문이다.
그림 2. 버스 확장과 이중 절연 하프 듀플렉스 리피터
하프 듀플렉스 모드에서 긴 장거리 네트워크를 운전하려면, 하프 듀플렉스 리피터를 구현해야 한다. 그림 2는 시스템 블록 다이어그램을 나타낸다. 하프 듀플렉스 리피터는 두 개의 버스 세그먼트와 연결되기 때문에, 리피터는 반드시 두 개의 별도 트랜시버로 이루어져야 하고, 트랜시버 각각은 신호 아이솔레이터를 통해 각자의 버스에 연결되고, 두 트랜시버 섹션으로부터 컨트롤 로직이 격리되어야 한다. 컨트롤 로직은 리피터의 드라이버와 리시버 섹션을 시간에 맞추어 활성화하거나 비활성화 한다. 이것은 방향과 상관없이 데이터 신호에 의해 개시된다.
그림 3. 원샷 회로에서의 트랜시버 타이밍 컨트롤
그림 3의 원샷 회로와 그림 4의 타임 딜레이가 있는 인버팅 버퍼가 가장 흔히 응용되는 타이밍-컨트롤 방식이다. 정확한 스위칭 동작을 위해서는, 두 방식 모두 파워업(power up)과 버스 아이들링(bus idling) 후의 스타트 조건들을 규정해야 한다. 이것은 페일세이프 바이어싱 레지스터(fail-safe biasing resistor) RFS를 통해 완성된다. RFS는 페일세이프 전압(fail-safe voltage) VFS를 만들어 내는데, 이는 어떤 트랜시버도 버스를 활성 구동하고 있지 않을 때 VFS>+200mV의 리시버 입력 감도를 넘어선다.
원샷 회로의 기능적 시퀀스에 관한 요약(아래 번호 항들과 그림 3)이 리피터 작동을 잘 설명해주고 있다:
1. 버스 아이들링 중에, 양쪽 리피터 포트의 리시버 출력은 VFS때문에 높다. 따라서 두 트랜시버 모두 서로 리시버 모드에 유지한다.
2. 그 다음, 포트 1에서 들어오는 데이터 패킷의 도착 스타트 bit가 RX1의 출력을 낮게 구동한다. 이러한 전환으로 원샷 회로가 시작되고 그 출력을 높게 구동하면서 드라이버 DR2를 활성화시킨다.
3. 시간 상수, RD×CD를 반드시 계산해야 데이터 패킷의 전체 시간 내내 원샷 회로의 출력이 높게 유지된다.
4. DR2는 원샷 시간 상수가 계속되는 동안 계속 버스 2를 구동한다. XCVROUT은 버스 2의 원거리 트랜시버의 리시버의 출력 상태를 나타낸다. DR2가 활성화되어 있는 동안, 풀업 레지스터 RPU가 비활성화된 리시버(RX2)의 출력을 높게 끌어당겨 RX1의 활성화를 유지한다는 점에 유의한다.
그러나 이 솔루션의 약점은 R-C 시간 상수가 데이터 패킷 길이와 신호의 전송 데이터 레이트에 좌우된다는 것이다. 또한 원샷 회로는 잡음 과도현상에 매우 민감하기 때문에 잘못된 트리거링과 리피터 고장을 유발할 수도 있다.
그럼에도 원샷 회로는 RS-232 혹은 RS-485 컨버터 같은 인터페이스 브리지에 흔히 사용된다. 이러한 컨버터들은 RS-485 네트워크를 오래된 PC의 RS-232 포트나 RS-232 컨트롤 기기에 직접 연결한다.
원샷 회로보다 더 확실한 데이터 레이트 독립 방식은, 여러 가지 충전 및 방전 시간을 가진 인버팅 슈미트 트리거(Schmitt-trigger) 버퍼를 통한 타이밍 컨트롤이다. 로직 로우(logic-low) 상태에 있는 동안에는 버스를 활성 구동하고, 로직 하이(logic-high) 상태에 있는 동안에는 드라이버를 비활성화하는 것이 주된 원리다. 이러한 활성 및 비활성 시퀀스는 비트 당 기준으로 발생하며, 이로써 리피터는 데이터 레이트 및 패킷 길이에 의존하지 않고 독립적으로 기능할 수 있게 된다.
인버터 컨트롤 리피터의 기능 시퀀스에 관한 요약(아래 번호 항과 그림 4 참고)이 그 작동을 잘 설명해주고 있다:
그림 4. 인버팅 버퍼에서의 트랜시버 타이밍 컨트롤
그림 5. 듀얼 절연 하프 듀플렉스 리피터
1. 버스 아이들링 중에, 양 리피터 포트의 리시버 출력은 VFS때문에 높다. 딜레이 커패시터 CD는 완전히 충전되어 인버터 출력을 낮게 구동함으로써 트랜시버를 리시버 모드로 유지한다.
2. 그러면 버스 1의 로우 비트는 RX1의 출력을 낮게 구동하면서 재빨리 CD를 방전시켜 드라이버 DR2를 활성화한다.
3. 버스 전압이 양의 전압(VBus>200mV)으로 변하면, RX1의 출력이 높아지면서 DR2의 출력이 높게 구동되고 RD를 통해 천천히 CD를 충전한다. 최소 시간 상수(RD×CD)를 반드시 계산해야 최대 공급 전압 VCC(max)와 최소 양의 인버터 입력 스레스홀드 VTH+(min)에서 딜레이 시간 tD가 드라이버의 최대 로우 투 하이 전파 딜레이(maximum low-to-high propagation delay) tPLH(max)를 약 30%까지 초과할 수 있다. 예를 들어, CD=100pF의 커패시턴스를 가정했을 때 RD에 필요한 레지스터 값은 다음과 같다:
4. 버스에 유효한 하이 시그널(valid high signal) 성립을 위해, 드라이버의 활성 시간은 실제 데이터 bit 간격과 비교한 딜레이 타임 (tD)에 의해 연장된다. 이것은 송신 모드에서 수신 모드로 바뀌기 전에 이루어져야 리시버 출력이 계속 높게 유지될 수 있다. 리시버의 전파 딜레이는 드라이버의 전파 딜레이보다 짧기 때문에 리시버가 단 한 순간의 찰나라도 낮아진다는 것은 불가능하다. 드라이버가 비활성화되면, 외부 페일세이프 레지스터는 버스 2를 200 mV 위로 바이어스한다. 이것을 활성 리시버는 하이로 정의되는 것으로 본다.
5. 버스 2의 차동 출력 전압은, 아이들 버스 도중에는 VOD =VFS>+200mV,로우 bit에서는 VOD < 1.5V, 하이 bit 시작 시 타임 딜레이(tD)에서는 VOD>1.5V이다. 이후부터, 나머지 하이 bit에 대해 VOD=VFS>+200mV를 유지한다.
그림 6. 듀얼 절연 전원 공급장치의 설계
다시 말하지만, XCVROUT는 버스 2의 원거리 트랜시버의 리시버 출력 상태를 나타낸다. 레거시 리피터(legacy repeater) 설계는 주로 10kbps의 데이터 레이트로 제한되었지만, 전파 딜레이가 현저히 짧아진 현재 트랜시버는 100kbps 이상의 데이터 레이트로 더 높아졌다.
간단한 설명을 위해 리피터를 논의할 때 갈바닉 절연이라는 중요한 요소를 지금까지는 제외했다. 그러나 리피터가 주로 사용되는 장거리 네트워크에서 네트워크 노드들 사이의 큰 GPD(ground-potential differences)는 흔하다. 이 GPD는 트랜시버 입력에서 큰 공통모드 전압으로 나타나며, 이것은 갈바닉 절연으로 제거하지 않으면 디바이스를 손상시킬 수 있다. 트랜시버의 버스 회로를 컨트롤 회로에서 분리하면, 버스 시스템이 부동하며 로컬 노드의 그라운드 포텐셜로부터 독립하게 된다.
그림 2는 컨트롤 회로에서 분리된 버스 노드의 드라이버 및 리시버 섹션을 보여주고 있다. 그러나 리피터의 경우, 내부 컨트롤 로직을 버스 1과 버스 2에서 분리해야 하기 때문에 이중 분리가 필수적이다. 이 두 개의 버스 역시 서로 분리돼 있어야 한다. 그림 5는 이를 완성한 리피터 회로를 보여준다. 표 1에는 BOM(Bill Of Material)이 나와 있다. 이 회로는 두 개의 분리된 RS-485 트랜시버를 사용하고 있으며, 각각에는 컨트롤 섹션의 중앙 3.3V 공급에서 파생된, 별개의 분리된 공급 VISO가 필요하다(그림 6).
결론
리피터는 버스 확장장치 혹은 스터브 익스텐더로 사용될 수 있다. 버스 익스텐더로 사용될 때 리피터는 한 버스의 끝과 다른 버스의 시작을 만들어낸다. 이렇게 하면 양쪽 포트에 페일세이프 종단 레지스터를 고정 설치할 수 있다. 반면 리피터가 긴 스터브 익스텐더로 사용되는 경우, 네트워크의 어느 곳에든 위치할 수 있다. 이 경우 버스와 연결된 포트 쪽의 레지스터를 제거해야만 스터브 포트의 레지스터가 설치된 상태를 유지할 수 있다.
참고자료
1. "TIA/EIA-485-A 애플리케이션 가이드라인" TIA TSB-89, 2006년 1월 1일, www.global.ihs.com
관련 웹사이트
www.ti.com/product/SN6501
www.ti.com/product/SN74LVC2G14
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