柏兆飛

（南京蘇河電子科技有限責任公司,南京 210000）

0 引言

基于微處理器應用系統(tǒng)中，常常會遇到遠程開關量的輸入問題。開關量進行長距離傳輸時，一方面容易受到外界的電磁干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真；另一方面開關量通過長電纜單端接入微處理器，由于電纜的線路阻抗與電壓降，限制了該電纜的距離。本文采用RS485總線作為開關量信號輸入信道，一方面RS485總線的差分通訊方式可以抑制外界干擾信號，提高傳輸質量；另一方面，由于開關量信號采用低頻信號傳輸，可以在相同條件下大大提高其傳輸距離。通過在輸入設備端增加光電隔離設備及軟件上采取相應的防抖動等措施，完全可以保證通訊正確率。實驗證明，采用該種措施可以確保開關量信號在3000m長度的帶屏蔽雙絞線(0.56mm/24AWG)上無誤碼傳輸。

采用RS485總線作為傳輸信道，在通常的應用方式中，信號輸出設備端與輸入設備端均需有微處理器，而當信號輸出設備端的開關量很少時(例如只有一路開關信號)，用微處理器控制RS485通訊，一方面會增加設備成本；另一方面因為微處理器使電路復雜數倍，又需要在微處理器中寫入軟件，所以也會大大增加維護成本。而本文采用RS485收發(fā)自動轉換電路，可以省去輸出設備端的微處理器。且由于RS485具有雙向通訊功能，可以將輸入設備接收到的狀態(tài)反饋至輸出設備端。這是本設計的另一大特色。

1 系統(tǒng)硬件設計

本設計的系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

1.1 輸出設備電路原理

C1、R1和R0構成去抖動電路，其實質是RC充放電電路。在開關K閉合過程中，電容C1通過R0有一個放電過程；在開關K斷開過程中，電容C1通過R1和R0有一個充電過程。充放電過程可以消除開關K在閉合與斷開過程的抖動。

A7、A8為NE555芯片，兩個芯片均構成單穩(wěn)態(tài)電路。當開關K由斷開變成閉合時，A點電平由高變低產生下降沿信號，經C2、R2構成的微分電路將下降沿信號變成寬約1的窄脈沖去觸發(fā)A8的T腳使其進入暫穩(wěn)態(tài)，在F腳上輸出時長t=1.1R6C6的高電平；當開關K由閉合變成斷開時，A點電平由低變高，經非門A5反向后產生由高到低的下降沿信號，經C4、R4構成的微分電路將下降沿信號變成寬約1的窄脈沖去觸發(fā)A7的T腳使其進入暫穩(wěn)態(tài)，在F腳上輸出時長t=1.1R5C5的高電平。綜上所述，當開關K發(fā)生變位時，A7、A8其中之一會輸出一段高電平脈沖，經或門A1后，將該高電平脈沖加在RS485的控制端，使其處于發(fā)送狀態(tài)。微分電路的作用是確保下跳沿能觸發(fā)NE555單穩(wěn)態(tài)電路，而避免上跳沿造成誤觸發(fā)。

CD4060構成方波發(fā)生器，其基準頻率為32.768KHz，Q5經32分頻后輸出1KHz頻率，Q6經64分頻后輸出512Hz頻率。當開關K處于斷開狀態(tài)時，與門A2允許輸出；當開關K處于閉合狀態(tài)時，或門A3允許輸出。因此在任何情況下，或門A4只可能有一種頻率輸出，輸出的頻率接至RS485芯片的發(fā)送端。

當開關K沒有變位時，兩個單穩(wěn)態(tài)電路均處于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出低電平，經或門A1后輸出低電平加在RS485芯片的控制端，RS485芯片處于接收狀態(tài)。若開關K有變位時，根據上面的分析，兩個單穩(wěn)態(tài)電路之一會進入暫穩(wěn)態(tài)輸出高電平，經A1輸出高電平加在RS485芯片的控制端，使RS485芯片暫時處于發(fā)送狀態(tài)，并將發(fā)送端DI的頻率送至總線：當開關K閉合時，發(fā)送的頻率為512Hz；當開關K斷開時，發(fā)送頻率為1KHz。當單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)結束后，RS485芯片的控制端重新變成低電平，返回至接收狀態(tài)，等待接收來自輸入端的信息。

C3、R3構成去毛刺電路并接在RS485芯片接收端，當RS485總線上受到電磁干擾使接收端出現小毛刺時可以被濾除。在接收端接有發(fā)光二極管，用以指示開關K是否發(fā)生了變位，當接收端收到低電平信號時，發(fā)光二極管D1亮。

1.2 輸入設備電路原理

輸入設備中，RS485芯片的接收端經光電藕合電路與微處理器相聯(lián)，光電藕合電路起隔離作用，可隔離總線上的電磁干擾，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內部的破壞性傳播。RS485芯片的控制端與發(fā)送端也與微處理器相聯(lián)。正常情況下，RS485芯片處于接收狀態(tài)，當微處理器從RS485芯片接收端接收到512Hz頻率時，說明輸出端的開關K處于閉合狀態(tài)；當接收到1KHz頻率時，說明輸出端開關K處于斷開狀態(tài)。當微處理器接收到頻率時，說明輸出端開關K發(fā)生了變位，微處理器控制RS485芯片發(fā)送一個長的低電平(例如300ms)信號，輸出設備中的RS485芯片接收到該低電平時，接收端變低，使發(fā)光二極管D1閃爍一次，表明輸入設備端已接收到輸出設備端的開關K的變位信號，這種反饋方式可以使輸出設備端了解輸入設備是否收到開關K的變位信息。

2 傳輸介質的選用

一種新的本質安全認證技術(簡稱本安)—參量認證(Parameter Approvals)中要求之一是如下兩式成立：

式中，Ci、Li為本安現場設備的電容、電感；Cc、Lc為本安現場設備與相關聯(lián)設備之間連接電纜的分布電容、電感；Ca、La為關聯(lián)設備允許的最大電容、電感。

式（1）Cc、Lc（2）說明，本安設備和連接電纜中電容、電感必須小于所連微處理器等系統(tǒng)的最大允許輸入電容、電感， 這就限制了連接信號電纜的長度。因此應該選擇滿足如下條件的信號電纜：（1）電纜的、越小越好；（2）線路阻抗越小越好；（3）信號線最好選用帶外層屏蔽的單股雙膠線；（4）無多余空信號線，防止增加電感量。

RS485總線是一種基于差分信號傳送的串行通信鏈路層協(xié)議，是工業(yè)上廣泛采用的較長距離數據通信鏈路層協(xié)議。在信號傳輸過程中，對信號產生干擾的不僅僅是電場，諸如磁場、振動、溫度、雷電等均可對信號造成干擾。在信號傳輸過程中受到干擾的程度與信號線質量和傳輸距離有很大關系，信號頻率越高，信號傳輸線質量越差；傳輸距離越長則受到干擾的程度就越大。

采用差分方式傳送信號是雙端平衡傳輸的一種方式。雙端平衡傳輸的信號因為幅度相等、相位相反；而傳輸介質一般為雙絞電纜，這兩根線走向、材質一致，因此對地阻抗一致。在雙端平衡傳輸通道中，所接收的外部電磁干擾在導線內產生的干擾是一致的，對信號接收端來說這是一種共模干擾，這種共模干擾在雙端平衡傳輸模式中能得到消除或極大的抑制，在很大程度上提高信號傳輸的質量。

本設計中在傳輸介質中傳送的信號頻率較低；輸入設備對信號質量的要求也較低，即使在傳輸過程中出現個別誤碼也不會造成判斷失誤，所以抗干擾能力很強。工程實踐證明，采用該設計方案傳輸距離3000m長度的開關量信號長期運行沒有誤動作。

3 結語

通過將開關量信號轉換為頻率信號，并采用雙端平衡傳輸方式，解決了開關量長距離的傳輸的問題。該設計簡單可靠，不需要微處理器參于，便實現了數據的雙向傳輸，在地理空間位置上，極大地拓展了應用范圍。該設計已在多個工程項目中得到使用，并取得了良好的效果，該設計的發(fā)明專利也正在申報中。但本設計僅對一路開關量信號進行了傳輸，如果采用編碼的方式，將多個開關量信號進行編碼傳輸，則可解決多個開關量信號的長距離傳輸問題。這種多開關量信號傳輸設計方案還有待進一步實驗并在實踐中進行驗證。

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