張振 寧鑫

摘 要：本文根據(jù)RS-422總線的性能特點，并結(jié)合彈載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用，介紹了相應(yīng)硬件接口和軟件程序的設(shè)計實現(xiàn)方案。方案具有結(jié)構(gòu)成熟可靠，協(xié)議簡單靈活等特點，具備一定抗干擾能力，能夠滿足導(dǎo)彈工程研制需要。

關(guān)鍵詞：RS-422總線;數(shù)據(jù)傳輸;串行通訊

0 引言

隨著數(shù)字控制技術(shù)不斷發(fā)展，導(dǎo)彈系統(tǒng)各電控單元更加豐富和復(fù)雜，不同部件電子控制單元間的通訊成為導(dǎo)彈電氣設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。以總線為核心的新型控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)能夠有效克服模擬信號電纜傳輸?shù)谋锥耍岣邔?dǎo)彈綜合信息處理能力，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性[1]。

總線是一組信號線的合集，并定義了各引線的電氣特性、機械特性以及信號協(xié)議（功能結(jié)構(gòu)）特性，主要功能是完成模塊或系統(tǒng)間的連接和通信。其指標主要有工作頻率、位寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、定時協(xié)議方式、負載能力等。對通訊總線來說，需要滿足較長距離傳輸，更多地考慮抗干擾電磁兼容等信號可靠性問題，異步通信是目前最主要的通訊接口，并且大多數(shù)采用串行方式[2]。例如RS-232、RS-422/485、1553B、CAN總線等。其中RS-422是一種協(xié)議簡單、構(gòu)建方便的總線，可滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)特定數(shù)據(jù)通訊的應(yīng)用需求。

1 RS-422總線

RS-422/485異步串行接口標準由RS-232發(fā)展而來，該標準由電信行業(yè)協(xié)會和電子工業(yè)聯(lián)盟定義，名稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。相比于RS-232，RS-422/485傳輸速率和傳輸距離極大提高，并且由于采用平衡驅(qū)動和差分信號傳輸方式，收發(fā)雙方的信號地不必連在一起，解決了RS-232單端傳輸?shù)碾娖狡茊栴}，共模抑制比高，抗干擾能力強[3]，因此使用該標準的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)能在點對點以及電子噪聲大的環(huán)境下有效傳輸信號。

與RS-422相類似的還有RS-485總線，其標準的主要電氣規(guī)范基本相同，主要是增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，二者主要區(qū)別為：

（1）RS-422規(guī)定接收器最小輸入阻抗為4kΩ，RS-485要求為12kΩ;

（2）接收器差模輸入閾值電壓均為±200mV，但RS-485與RS-422相比，其共模輸入電壓范圍更大;

（3）RS-485通過兩線制半雙工模式可組成多點對多點通信網(wǎng)絡(luò)，由于任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，各點收發(fā)器須由主設(shè)備使能信號加以控制。由于大部分接收器阻抗標準值12kΩ，單級的負載能力最多為32個接收器;如果采用1/8單位負載輸入阻抗或更高的接收器，則最多可連接256甚至400個;

（4）RS-422為四線制（R+/R-、D+/D-），收發(fā)兩個方向數(shù)據(jù)傳輸互不影響，因此是全雙工模式，實現(xiàn)點對點或點對多點通信，而RS-485可以是四線制全雙工或是兩線制半雙工工作;由于RS-485滿足422的所有規(guī)范，因此全雙工的RS-485驅(qū)動/接收器對一定可以用于RS-422網(wǎng)絡(luò)，目前大多數(shù)全雙工轉(zhuǎn)換器芯片適應(yīng)以上兩種的技術(shù)規(guī)范，例如：MAX3490即為“RS-485/422”收發(fā)器。

RS-422提供了數(shù)據(jù)通訊的可靠硬件基礎(chǔ)，基于此構(gòu)建總線網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)應(yīng)用邏輯層面的通訊格式和算法開發(fā)，可有效滿足實際系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

2 RS-422在導(dǎo)彈系統(tǒng)應(yīng)用的硬件方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彈上系統(tǒng)間通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。在主機和從機之間通過RS-422總線全雙工差分傳輸，各控制單元的主控芯片為DSP，通過接口電路實現(xiàn)總線差分電平和3.3V邏輯電平間的轉(zhuǎn)換。

2.2 通訊接口電路

RS-422通訊接口電路如圖2所示。采用MAX3490接口芯片作為總線收發(fā)器，其接收器輸出端RO和驅(qū)動器輸入端DI分別與DSP的SCI模塊收發(fā)端口直連。

2.3 抗干擾設(shè)計

為了提高通訊總線抗電磁干擾的能力，在電氣設(shè)計時RS-422的通信電纜采用屏蔽雙絞線方式，并將屏蔽層兩端接地處理。

此外，由于傳輸線纜與收發(fā)器之間阻抗不匹配，信號在傳輸線末端可能引起反射，疊加在原信號上就會引起數(shù)據(jù)干擾。消除這種反射的方法就是在電纜接收端跨接終端電阻使阻抗匹配連續(xù)。MAXIM公司手冊中給出了一條經(jīng)驗原則：當信號的轉(zhuǎn)換時間低于電信號沿線纜單向傳輸所需時間的3倍以上時就必須采用匹配電阻。由于MAX3490并未對輸出信號的斜率進行限制，其轉(zhuǎn)換時間最小值為3ns，通過典型雙絞線信號傳輸速率2×108m/s進行估算，可知線纜長度超過0.2m時就需要接入匹配電阻。

工程應(yīng)用中，RS-422通過雙絞線通訊線纜阻抗一般是100Ω到130Ω之間[4]，因此，在接口電路設(shè)計中，采用了120Ω的匹配電阻設(shè)計方案減弱信號反射效應(yīng)，提高彈上系統(tǒng)通訊可靠性。

3 RS-422通訊協(xié)議和軟件程序設(shè)計

RS-422總線標準規(guī)定了通訊接口電壓范圍、輸入阻抗等電氣特性，在各彈載系統(tǒng)間搭建了全雙工高速數(shù)據(jù)傳輸通道。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)彈系統(tǒng)具體使用需求，可約定通訊協(xié)議，并設(shè)計相應(yīng)通訊程序

軟件。

3.1 通訊協(xié)議

實現(xiàn)全雙工異步通訊前，除應(yīng)保證收發(fā)各端采用統(tǒng)一的波特率時鐘設(shè)計以保證通訊可靠穩(wěn)定外，還應(yīng)約定數(shù)據(jù)包格式、字格式、校驗方式等。

數(shù)據(jù)包采用固定長度，即每個數(shù)據(jù)包內(nèi)所含的字數(shù)一定，第一個字為數(shù)據(jù)包頭字，中間字為數(shù)據(jù)字，最后一個字為檢驗和字。

每個字格式包含起始位、若干個數(shù)據(jù)位、校驗位以及停止位。通訊時先發(fā)送低位數(shù)據(jù)，再發(fā)送高位數(shù)據(jù)。

通訊中的數(shù)據(jù)檢錯是導(dǎo)彈系統(tǒng)應(yīng)用中要考慮的重要環(huán)節(jié)。依據(jù)數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)字采取奇偶校驗算法，而數(shù)據(jù)包檢驗和字算法是采用所有數(shù)據(jù)字進行異或運算，通過協(xié)議約定的檢錯方法，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

3.2 軟件程序設(shè)計

根據(jù)通訊協(xié)議，控制單元間以約定的數(shù)據(jù)包格式進行數(shù)據(jù)的傳輸。主機按照固定周期將指令數(shù)據(jù)內(nèi)容打包進行發(fā)送，從機接收到數(shù)據(jù)后進行驗和操作，校驗正確后進行數(shù)據(jù)解碼和相應(yīng)任務(wù)操作，并在約定時間內(nèi)給主機發(fā)送各類響應(yīng)數(shù)據(jù);主機接收到數(shù)據(jù)后，同樣進行數(shù)據(jù)校驗，通過后執(zhí)行后續(xù)

操作。

通訊數(shù)據(jù)的接收采用SCI模塊的FIFO模式，通過檢測標志位RXFFST的狀態(tài)判斷是否進入接收程序，接收數(shù)據(jù)流程圖（如圖3）所示。

4 結(jié)論

應(yīng)用RS-422通訊技術(shù)，可優(yōu)化導(dǎo)彈數(shù)據(jù)傳輸方案。所設(shè)計方案結(jié)構(gòu)成熟可靠，協(xié)議簡單靈活，滿足工程研制的應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1]胥輝旗，王義冬，田燕妮.高速光纖總線技術(shù)在導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究[J].電光與控制，2012，19（2）：9-12.

[2]李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]劉承，劉向東，李黎.RS-422串口通信在DSP中的設(shè)計與應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2006，19（3）：33-34.

[4]劉喜增，金湘亮.RS485總線信號反射分析及傳感器采集系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（5）：53-56.