光電設(shè)備中并行數(shù)據(jù)接口的改進(jìn)方法

1引言

并行接口又稱為"并口"，是一種增強(qiáng)型雙向并行傳輸接口。"并口"是指8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線傳輸。這樣數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高，但并行傳輸線路長(zhǎng)度受到限制。"長(zhǎng)線"是相對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速度而言的。例如，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b／s時(shí)，20 m的電纜即可認(rèn)為是長(zhǎng)線。增加傳輸線的長(zhǎng)度，干擾增加，就容易出錯(cuò)，使信號(hào)無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸。

針對(duì)某大型光電項(xiàng)目中并行數(shù)據(jù)接口問(wèn)題提出改進(jìn)方法。由于系統(tǒng)所用線纜較多，信號(hào)在長(zhǎng)線(約20 m～25 m)中傳輸時(shí)，不僅存在傳輸延遲，而且會(huì)使信號(hào)畸變，并引入有害干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

2原有設(shè)計(jì)方案及錯(cuò)誤分析 原有并行數(shù)據(jù)接口部分設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。上位計(jì)算機(jī)控制并行接口器件8255A的A口傳輸數(shù)據(jù)，B口和C口分別作為地址端口和控制端口。數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由74HC245驅(qū)動(dòng)傳送至下位機(jī)，數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行雙向傳輸，對(duì)8255A的C口編程設(shè)置為數(shù)據(jù)74HC245的使能和傳輸方向選通信號(hào)。地址信號(hào)和控制信號(hào)為單向傳輸，同樣也采用74HC245作為驅(qū)動(dòng)器。下位機(jī)經(jīng)由雙端口存儲(chǔ)器IDT7132與上位機(jī)通訊，且IDT7132的片選、使能、讀寫等信號(hào)也由8255A的C口編程設(shè)置。

由圖1可知道，兩邊設(shè)備的傳輸線路長(zhǎng)度均為20 m，信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰變甚至發(fā)生畸變。尤其是在多路信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，高電平跳變嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。以下對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1公共地線

發(fā)送與接收設(shè)備之間的地電位差對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性有很大影響。該設(shè)計(jì)中，收發(fā)設(shè)備間連接一條公共地線。由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備使用各自的電源系統(tǒng)，兩者電位可能不一致，導(dǎo)致地線信號(hào)中有電流產(chǎn)生。由于傳輸線存在電阻，地線兩端產(chǎn)生壓降，即地電位差。當(dāng)發(fā)送設(shè)備向接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收設(shè)備得到的電壓信號(hào)與沒(méi)有地電位差時(shí)不同。當(dāng)有用信號(hào)的電壓較小，而地電位差較大時(shí)，接收設(shè)備無(wú)法得到準(zhǔn)確信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸將無(wú)法進(jìn)行。另一方面，由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備間存在公共地線，因此各種干擾極易通過(guò)公共地線疊加在信號(hào)上，特別是作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾通過(guò)公共地線能容易導(dǎo)入接收設(shè)備，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2.2傳輸線效應(yīng)

2.2.1最大匹配線長(zhǎng)度理論

根據(jù)電路分析原理，當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度接近于傳輸波長(zhǎng)時(shí)，不能再視其為普通導(dǎo)線，而應(yīng)視為長(zhǎng)線，需用傳輸線理論分析。在接口技術(shù)中，當(dāng)總線長(zhǎng)度和波長(zhǎng)可比擬時(shí)，必須把它視作長(zhǎng)線，考慮作為傳輸線帶來(lái)的影響，即傳輸線效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明：時(shí)鐘頻率為1 MHz～10 MHz時(shí)，單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可忽略不計(jì)，但板與板、箱與箱之間的傳輸線效應(yīng)必須考慮；當(dāng)時(shí)鐘頻率為50 MHz～100 MHz時(shí)，單板內(nèi)的總線設(shè)計(jì)必須考慮傳輸線效應(yīng)。

傳輸線定義為所有導(dǎo)體及其接地回路的總和。當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度超過(guò)最大匹配線長(zhǎng)度Lmax時(shí)，稱為長(zhǎng)線。最大匹配線長(zhǎng)度Lmax可由式(1)計(jì)算：

式中：tr是傳輸信號(hào)的前沿時(shí)間，單位為ns；v為電磁波速度，v=(1.4～2)×108m／s；k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取k=4～5。

該方案中，最大匹配長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20 m，這就導(dǎo)致線路阻抗與外接負(fù)載不匹配，線路的阻抗使信號(hào)達(dá)不到規(guī)定的電壓幅值。傳輸線效應(yīng)引起信號(hào)延遲，傳輸線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，延遲時(shí)間也越長(zhǎng)。

2.2.2傳輸線電容分布

數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)際上是信號(hào)的傳號(hào)和空號(hào)傳輸。而信號(hào)由空號(hào)變?yōu)閭魈?hào)或由傳號(hào)變?yōu)榭仗?hào)時(shí)，實(shí)際上是對(duì)傳輸線分布電容充電和放電過(guò)程，而且充電的上升時(shí)間和放電的下降時(shí)間不同。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速度較高時(shí)，原本等寬的傳號(hào)和空號(hào)，變得不等，產(chǎn)生畸變，從而引起數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤。

3解決途徑及改進(jìn)措施

目前解決上述問(wèn)題的途徑通常有以下兩種方案，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線傳輸。

3.1采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)接口電路方式

EIA(Electronic Inductries Association)提出RS-422標(biāo)準(zhǔn)，有效消除了公共地線等影響。其特點(diǎn)是通過(guò)傳輸線驅(qū)動(dòng)器將邏輯電平轉(zhuǎn)換為2 V～6 V的電壓信號(hào)，經(jīng)長(zhǎng)線傳輸，再通過(guò)傳輸線接收器將電壓信號(hào)(最低為200 mV)轉(zhuǎn)換為邏輯電平，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于電壓信號(hào)獨(dú)立采用兩線傳輸，不經(jīng)過(guò)公共地線，因此，兩線對(duì)干擾信號(hào)應(yīng)該是對(duì)稱的。取兩線間的電壓差作為有用信號(hào)，可抵消干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響，增強(qiáng)電路對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力。

3.2采用光電隔離電流環(huán)路接口方式

對(duì)傳輸線進(jìn)行"隔離"、"浮地"處理是較好的方法。采用光電隔離電路，可省去數(shù)據(jù)交換的兩設(shè)備間的公共地線，使兩設(shè)備電氣隔離。同時(shí)，在電→光→電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，就光電耦合器件而言，只要輸入端有電流，輸出端就能輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，因此，邏輯電平的信號(hào)傳遞變?yōu)楣潭�電流環(huán)中是否有電流傳遞。適當(dāng)增大電流(低阻傳輸)，使夾雜在信號(hào)中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開(kāi)關(guān)電流幅值內(nèi)，即使相對(duì)弱小的干擾信號(hào)電流無(wú)法改變有用信號(hào)電流的存在與否，可有效地抑制干擾，提高信息傳輸?shù)目煽啃�，增加�?shù)據(jù)的傳輸距離。

本文采用第二種方案對(duì)并行數(shù)據(jù)接口部分進(jìn)行改進(jìn)。在原有電路中引入光電隔離器TLP523-4。使兩邊設(shè)備電氣隔離。TLP523-4是東芝公司的一款具有完整基極一發(fā)射極的性能優(yōu)良的固定延時(shí)光電耦合器件，具有高轉(zhuǎn)換速率、高溫等特性。該器件主要特性如下：電流轉(zhuǎn)換率：500％：隔離電壓：2500Vrms(min)；發(fā)射-接收電壓：55 V(min)；泄漏電流：10μA(max)(Ta=85℃)。

改進(jìn)后的并行數(shù)據(jù)接口原理圖(接收部分)如圖2所示。同理，驅(qū)動(dòng)電路中的74HC245由54LS-244替代，并由74LS01和54LS04協(xié)助完成邏輯功能。發(fā)送設(shè)備部分也做同樣改進(jìn)。在原有設(shè)計(jì)電路中，正是因?yàn)榈鼐�的交流阻抗特性，使得地線成了電路中最大的噪聲源。造成地線干擾是由于地線中存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，產(chǎn)生電壓，造成地線噪聲。在地線噪聲的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備共用一段地線。因此會(huì)形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP2523-4對(duì)發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，大大減小了交流阻抗，從而增大傳輸電流，有效抑制地線噪聲。同時(shí)由于采用了54LS244，總線驅(qū)動(dòng)能力得到了保障。傳輸中使用帶雙絞線結(jié)構(gòu)的扁平電纜，這種電纜對(duì)靜電干擾和空間電磁干擾也能起到非常好的抑制作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)電路，總線驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，干擾和畸變得到明顯改善。電氣隔離電纜兩側(cè)電路是抑制干擾的理想辦法，明顯提高了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。但因?yàn)楣怦詈掀魇菃蜗騻鬏斊骷�，最終隔離的結(jié)果是全雙工信道，而并行全雙工信道的長(zhǎng)線傳輸方案因技術(shù)、器件、線路成本等因素而很少在工程上應(yīng)用。因此，要求長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信或高數(shù)據(jù)傳輸速度時(shí)，基于電纜特性及上述傳輸方式的局限性，需采用其他適合的數(shù)據(jù)通信方式。

作者：宋曉明，劉鑫，陳方斌，江濤(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

來(lái)源：《國(guó)外電子元器件》