宋云霞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230088)

0 引 言

RS232、RS422都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定發(fā)布的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，RS232工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EIA-232-E發(fā)布時(shí)間最早應(yīng)用最早，在長(zhǎng)期應(yīng)用中，它暴露出通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，限制了RS232總線的應(yīng)用范圍，為了彌補(bǔ)RS232 的不足之處，EIA提出了RS422的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS422定義了一種平衡通信接口，將通信速率提高到10Mbps，通信距離延長(zhǎng)到4000ft(速率低于100bps)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，但是在可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)于RS422總線的應(yīng)用提出新的硬件要求[1]。本文研究了以RS422菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)交叉?zhèn)浞?，發(fā)送端雙機(jī)冷備輸出，接收端分布式接收且雙機(jī)冷備的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，依托實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證，此電路設(shè)計(jì)切實(shí)可行，系統(tǒng)可靠性高，信號(hào)質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。

1 RS422交叉?zhèn)浞菖c分布式接收的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RS422硬件接口電氣規(guī)范見(jiàn)表1。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+2V～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2V～-6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。接收器與驅(qū)動(dòng)器相對(duì)，接收端正端負(fù)端之間電平大于+200mV時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。

表1 RS422硬件接口電氣規(guī)范

EIA RS422硬件接口電氣規(guī)范參數(shù)條件最小值最大值單位發(fā)送器輸出電壓(開(kāi)路)10-10V發(fā)送器輸出電壓(開(kāi)路)負(fù)載電阻=100Ω2-2V發(fā)送器輸出阻抗A端到B端100Ω發(fā)送器輸出短路電流每個(gè)輸出端到地±150mA發(fā)送器輸出上升時(shí)間負(fù)載電阻=100Ω10占比特寬度的百分比發(fā)送器共模電壓負(fù)載電阻=100Ω±3V接收器輸入靈敏度共模電壓(Vcm)≤±7±200mV接收器共模電壓-7+7V接收器輸入阻抗4kΩ差分輸入信號(hào)電壓接收器正常工作±10V接收器輸入最大差分信號(hào)±12V

RS422總線采用菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)射端和接收端采用三線制接法，差分線采用平衡雙絞線正端與正端、負(fù)端與負(fù)端對(duì)應(yīng)相連，信號(hào)地線作為正負(fù)端的參考電平，連接發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的地電平。RS422的最大傳輸距離為4000ft(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kbps速率下，才可能達(dá)到最大傳輸距離，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸，一般100m長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps，RS422需要一端接電阻，要求其阻值等于傳輸線纜的特性阻抗。

本工程中設(shè)計(jì)的交叉?zhèn)浞蓦娐吩诔Ｒ?guī)RS422菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了接收端和發(fā)射端交叉?zhèn)浞菀约敖邮斩朔植际浇邮盏碾娐吩O(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

本工程的電路應(yīng)用中，發(fā)射端雙機(jī)冗余共用一個(gè)機(jī)箱，雙機(jī)的輸出合并點(diǎn)應(yīng)在機(jī)箱內(nèi)部冷冗余，碼速率最大不超過(guò)10Mbps。3個(gè)接收端分布式掛接在總線上，每個(gè)接收端雙機(jī)冗余共用一個(gè)機(jī)箱，雙機(jī)的輸入合并點(diǎn)在機(jī)箱內(nèi)部冷冗余，3個(gè)接收端的主機(jī)共用一個(gè)+5V電源，備機(jī)共用另一個(gè)+5V電源，主機(jī)和備機(jī)不能同時(shí)供電。為保證信號(hào)質(zhì)量在最遠(yuǎn)端接130Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配，本工程應(yīng)用中，RS422總線最遠(yuǎn)接收端距離發(fā)射端為10m(±0.5m)，通信頻率為3.125MHz，由圖2可知，在總線長(zhǎng)度10m的情況下，總線傳輸速率最高可達(dá)10Mbps，因此本工程所選碼速率滿足總線要求，且余量充足。

2 電路參數(shù)選擇對(duì)信號(hào)形成的影響分析

在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最常用的接線方式，但是為了滿足多種多樣的工程需求，延伸出了多種多樣的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本工程在菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)高可靠性的需求，設(shè)計(jì)了交叉?zhèn)浞莸姆植际浇邮针娐窇?yīng)用，上一節(jié)已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用背景做了介紹，完成了總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但是信號(hào)質(zhì)量控制是一個(gè)復(fù)雜的工作，電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的電阻、電容、線纜長(zhǎng)度等因素對(duì)信號(hào)質(zhì)量也有至關(guān)重要的影響， 本部分內(nèi)容結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用分析電路參數(shù)選擇對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，并給出最優(yōu)化的電路參數(shù)選擇方案，為以后的工程應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

圖1 基于RS422的交叉?zhèn)浞菖c分布式接收拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 平衡雙絞線長(zhǎng)度與傳輸速率關(guān)系[2]

本工程中，發(fā)射端422驅(qū)動(dòng)器選擇JS26C31BD[3]器件，驅(qū)動(dòng)器單端串聯(lián)故障隔離電阻為51Ω，故障隔離電阻的作用是隔離器件故障，當(dāng)主機(jī)JS26C31BD芯片故障，內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管擊穿時(shí)，隔離電阻的存在使得驅(qū)動(dòng)端故障時(shí)，故障不會(huì)蔓延，不會(huì)損壞備機(jī)或者接收端芯片。接收端為JS26C32BD[4]器件，接收端分布式連接在總線上，每個(gè)接收端串聯(lián)1k故障隔離電阻，故障隔離電阻的存在主要是防止JS26C32BD芯片內(nèi)部故障，當(dāng)多路接收端中只有一路或者少數(shù)幾路接收芯片故障時(shí)，1k隔離電阻的存在使得其它接收端可以正常工作，將芯片故障的影響降到最低。

接收端阻抗進(jìn)行匹配，終端電阻匹配的目的是使得信號(hào)不發(fā)生反射，在總線最遠(yuǎn)的接收器匹配130Ω電阻，由于接收端是雙機(jī)冷備份，因此每一個(gè)單機(jī)上并聯(lián)電阻為260Ω，匹配阻抗的作用是使得信號(hào)從傳輸線進(jìn)入接收器的過(guò)程中，不出現(xiàn)阻抗突變，JS26C32BD的輸入阻抗為4k，并聯(lián)130Ω電阻后，輸入阻抗約為126Ω，約等于雙絞線阻抗，由公式(1)、公式(2)和公式(3)計(jì)算可知接收器輸入電壓等于入射電壓。

V=V入射+V反射

(1)

V反射=V入射·Γ

(2)

(3)

參數(shù)說(shuō)明如下：

V——測(cè)量端點(diǎn)電壓；

V入射—— 測(cè)量端點(diǎn)入射電壓；

V反射—— 測(cè)量端點(diǎn)處產(chǎn)生的發(fā)射電壓；

Γ—— 端點(diǎn)處的反射系數(shù)；

Z2—— 測(cè)量端點(diǎn)后端阻抗；

Z1—— 測(cè)量端點(diǎn)前端阻抗。

上下拉電阻的作用是單機(jī)未接入系統(tǒng)就上電的情況下，將JS26C32BD芯片的差分輸入端鉗位在高電平，使得源端開(kāi)路單機(jī)上電的情況下，不會(huì)出現(xiàn)不定態(tài)。每個(gè)接收端的主機(jī)和備機(jī)供電獨(dú)立，3個(gè)接收機(jī)正端上拉2.2kΩ電阻，三機(jī)并聯(lián)之后上拉電阻為730Ω，所有接收端的地信號(hào)為由發(fā)射端輸入的地電平，6個(gè)接收機(jī)負(fù)端下拉4.3kΩ，六機(jī)并聯(lián)之后下拉電阻為717Ω。當(dāng)差分輸入開(kāi)路的情況下，圖3可知由上拉電阻730Ω、匹配電阻130Ω、下拉電阻717Ω，分壓+5V，可知差分電壓被鉗位在412mV≥200mV，因此JS26C32BD輸出高電平。

圖3 源端開(kāi)路分壓關(guān)系

由于接收端采用雙機(jī)冷備的方式，二極管的存在可以有效防止冷機(jī)時(shí)電壓倒灌。當(dāng)主機(jī)上電，備機(jī)斷電時(shí)，若無(wú)防倒灌二極管的存在，+5V電壓會(huì)經(jīng)過(guò)上拉電阻進(jìn)入備機(jī)電源，長(zhǎng)時(shí)間存在會(huì)損壞備機(jī)接口芯片，因此在雙機(jī)冷備時(shí)防倒灌二極管的存在十分必要。

3 信號(hào)質(zhì)量分析

本部分通過(guò)對(duì)工程電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，用事實(shí)證明了電路參數(shù)選擇的合理性，測(cè)量工具有差分探頭、示波器、電源模塊。本工程中，發(fā)射端422驅(qū)動(dòng)器選擇JS26C31BD器件，驅(qū)動(dòng)端輸出阻抗為100Ω，單端故障隔離電阻為51Ω，雙絞線上隔離電阻為102Ω，雙絞線纜阻抗為100Ω(由線纜本身特性決定)，在驅(qū)動(dòng)器輸出端阻抗連續(xù)，信號(hào)平穩(wěn)的由驅(qū)動(dòng)器傳輸至雙絞線纜[5]，無(wú)信號(hào)反射發(fā)生，由圖4發(fā)射端差分信號(hào)可以看到輸出電平電壓情況。信號(hào)由線纜傳輸至接收端，由于匹配電阻的存在，沒(méi)有發(fā)生阻抗突變，無(wú)信號(hào)反射發(fā)生，由圖5接收端差分信號(hào)可以看到，接收端輸入電壓與驅(qū)動(dòng)端輸出電壓保持一致，信號(hào)在整個(gè)傳輸過(guò)程中無(wú)反射和振鈴情況發(fā)生。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論分析完全一致，可以驗(yàn)證電路參數(shù)選擇的合理性。

圖4 發(fā)射端差分信號(hào)

圖5 接收端差分信號(hào)

本人在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，信號(hào)會(huì)有輕微的間隔波動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，這是菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不可避免的問(wèn)題，信號(hào)波動(dòng)存在的原因是接收端分布在菊花鏈總線上，而接收端樁線的存在使得總線阻抗每隔一段長(zhǎng)度就發(fā)生變化，阻抗的不連續(xù)性導(dǎo)致了信號(hào)的復(fù)雜反射，但是由測(cè)量結(jié)果可以看到波動(dòng)很輕微不影響信號(hào)識(shí)別，通過(guò)減短接收端與總線之間的樁線長(zhǎng)度可以減弱這種信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象，因此出現(xiàn)了菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)形式——Fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，這種結(jié)構(gòu)的信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)于菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受限，接收端位置不自由，在此不對(duì)Fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開(kāi)介紹。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際工程案例為依托，介紹了一種高可靠性、高信號(hào)質(zhì)量的工程實(shí)現(xiàn)形式，針對(duì)RS422總線的交叉?zhèn)浞莺头植际浇邮针娐氛归_(kāi)介紹， 首先介紹了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，然后結(jié)合總線上的參數(shù)選擇進(jìn)行了電路信號(hào)分析，最終介紹了實(shí)際工程測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量，以及工程采用的拓?fù)湫问匠霈F(xiàn)信號(hào)波動(dòng)問(wèn)題的原因和解決方案，具有實(shí)際的應(yīng)用意義。