0 引言

    在高速差分總線LVDS廣泛應(yīng)用的時代，RS422以可靠性高以及成本低的特點依然廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，許多成熟定型的產(chǎn)品仍然需要采取RS422接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如在遙測系統(tǒng)中，RS422的抗干擾能力優(yōu)于LVDS，所以在速率不高的情況下，依然采用RS422作為通信接口。在通常情況下，RS422受限于UART通信協(xié)議和自身的電器特性，無法達(dá)到很高的速率，理論上在距離很短的情況下，最大的傳輸速率可以達(dá)到10 Mb/s，但在實際應(yīng)用中，波特率最高只能達(dá)到1 Mb/s，這就是為什么很多資料中允許的最大波特率只能達(dá)到115.2 Kb/s～916 Kb/s之間^[1]。一些技術(shù)(如DSLC、HDLC等)可以將RS422的通信速率提高到8 Mb/s以上，但是以犧牲通信距離為代價，其通信的距離只有數(shù)米。目前市面上RS422接口芯片有很多，每種接口芯片都能滿足最大傳輸速率10 Mb/s的需求，所以在已有硬件的基礎(chǔ)上如何提高通信速率，對RS422的應(yīng)用具有重要的意義。

1 綜合因素分析

    影響RS422傳輸速率的因素主要有兩種，一種為電纜的電氣特性，理想狀態(tài)下電纜對傳輸?shù)男盘枦]有任何的影響，實際情況受到分布電阻和電容等的影響，使得信號在電纜中衰減、反射，另一種是RS422傳輸協(xié)議的弊端，UART協(xié)議是通過判斷電平來進(jìn)行解碼，這樣增加了數(shù)據(jù)通信的間隔，這也是限制RS422通信速率的重要因素。本文從傳輸介質(zhì)和傳輸方式兩方面分析，找出約束傳輸速率的主要因素，通過技術(shù)方法改進(jìn)存在的缺陷，使信號在30 m長的電纜上以10 Mb/s的速率傳輸而不出現(xiàn)誤碼。

2 電纜特性

    電纜不僅僅是承載傳輸信號的媒介，同時也是決定信號頻率優(yōu)劣的主要因素。在電纜中，電纜的頻率特性和電纜上的反射對電信號的高速傳輸產(chǎn)生極大的影響。對于雙絞線構(gòu)成的電纜，其線纜衰減特性等效電路模型如圖1所示，可以看出在高速信號的傳輸中，這些影響因素都是頻率的函數(shù)。將串聯(lián)電阻用R(f)表示，串聯(lián)電感用L(f)表示、并聯(lián)電容用C(f)表示，并聯(lián)電導(dǎo)用G(f)表示。

    其串聯(lián)阻抗Z(f)可以表示為：

    根據(jù)雙絞線傳輸線理論，雙絞線電纜作為有損傳輸線，其總衰減損耗包括兩部分，一部分為趨膚效應(yīng)的損耗，趨膚損耗與頻率的平方根成正比，并且趨膚效應(yīng)使電纜的分布電阻增加；一部分為介質(zhì)損耗，介質(zhì)損耗與頻率成正比，隨著頻率的升高導(dǎo)致了更為陡峭的衰減^[2]。兩者都是頻率的正相關(guān)函數(shù)，也是電纜長度的函數(shù)，當(dāng)頻率達(dá)到一定值時，線路的損耗隨著電纜長度的增加而增加。所以在高速傳輸時，衰減損耗對有用信號傳輸?shù)挠绊懯蔷薮蟮?。實際應(yīng)用中由于電纜的阻抗分布不均勻以及與接收設(shè)備的阻抗不匹配，導(dǎo)致信號在傳輸線上反射，這也是影響傳輸信號的重要原因。由式(3)可以得出，雙絞線的特性阻抗是一個與長度無關(guān)的量，但是當(dāng)阻抗不匹配時，由于電纜長度的增加，會使反射波在雙絞線中持續(xù)的時間增長，影響信號的傳輸質(zhì)量。

    電纜的頻率特性和線上反射是決定長線傳輸中信號頻率優(yōu)劣的主要因素，考慮到電纜和UART協(xié)議的特性，理論上RS422的傳輸速率最大為10 Mb/s，與設(shè)法提升電纜的性能相比，設(shè)計一種適合RS422接口并且不大幅增加現(xiàn)有處理器負(fù)擔(dān)的通信協(xié)議來達(dá)到最大傳輸速率是最為有效的。本文借鑒常見的高速總線編碼方法，開發(fā)了一種適應(yīng)RS422傳輸?shù)木幋a方法。

3 6B/10B編碼介紹

    傳統(tǒng)的8B/10B編碼是將8 bit的數(shù)據(jù)拆分成兩組，分別為3 bit和5 bit，然后再分別將3 bit映射成4 bit，將5 bit映射成6 bit。在進(jìn)行直流平衡時提出不平衡度的概念，通過記錄前級極性的狀態(tài)，匹配相反極性的數(shù)據(jù)編碼來實現(xiàn)直流平衡和最大化信道帶寬利用率，從而使數(shù)據(jù)可靠傳輸。為了達(dá)到直流平衡，8B/10B編碼借助總共268個字符以及與之對應(yīng)的反轉(zhuǎn)碼來判斷極性，在邏輯上存在很大的開銷。在RS422接口通信中，傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒有交流耦合電路，所以不需要嚴(yán)格意義上的直流平衡，并且不需要較高的傳輸效率，這就為簡化編碼提供給了可能。

    改進(jìn)型6B/10B編碼為傳統(tǒng)8B/10B編碼的精簡版，在6B/10B編碼中，降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，將一次性傳輸有效數(shù)據(jù)位數(shù)減小為4 bit，增加了兩位標(biāo)志位，確定是否是高4 bit還是低4 bit；同時采用線性分組碼向前糾錯方式（FEC）增加了監(jiān)督位，根據(jù)分組原則，增加了4 bit監(jiān)督位，從而通過監(jiān)督公式確定誤碼位置，完成數(shù)據(jù)的糾錯控制。6B/10B編碼需要每次傳輸10 bit，根據(jù)線性分組碼的編碼原理采用4個監(jiān)督位理論上可以產(chǎn)生16種校正子碼組，10 bit數(shù)據(jù)需要10種校正子碼組^[3]。經(jīng)過分析得出10種合適的校正碼子和誤碼位置如表1所示。其中S₁、S₂、S₃、S₄表示由監(jiān)督關(guān)系方程式計算得到的校正子，A₀~A₉為誤碼位置，則校正子的值可以由以下公式獲得：

    在傳輸中，信息碼元是隨機(jī)的，監(jiān)督碼元可以由其監(jiān)督公式得出，監(jiān)督公式如下：

    經(jīng)過以上分析，得出數(shù)據(jù)的具體傳輸格式如表2所示。

    具體的編碼規(guī)則為：一個字節(jié)數(shù)據(jù)分兩次傳輸，首次發(fā)送該字節(jié)的低4 bit，其次發(fā)送該字節(jié)的高4 bit。確定4 bit有效數(shù)據(jù)和兩位的標(biāo)志位(10：數(shù)據(jù)低4 bit；11數(shù)據(jù)的高4 bit)后，可以根據(jù)監(jiān)督公式確定傳輸數(shù)據(jù)10B中的后4 bit。根據(jù)監(jiān)督公式和編碼規(guī)則可以得出64個有效碼組合來用于傳輸數(shù)據(jù)，借鑒8B/10B編碼規(guī)則，選用的有效碼組盡量做到連續(xù)“0”或“1”的個數(shù)不達(dá)到5個。通過對比，標(biāo)志位(A₉、A₈)為“10”和“11”時直流平衡度要好于標(biāo)志位為“00”和“01”的有效碼組的數(shù)據(jù)?？紤]到1位誤碼的冗余，無效冗余碼接收時均當(dāng)作無效碼處理。因為RS422的傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒有交流耦合電路，所以對碼組的直接應(yīng)用導(dǎo)致的非直流平衡對傳輸?shù)乃俾屎蜏?zhǔn)確度無較大影響。采用6B/10B編碼方式與傳統(tǒng)的8B/10B編碼相比，減小了判斷極性的復(fù)雜性，簡化了邏輯。采用傳輸4 bit有效數(shù)據(jù)降低了一定的傳輸速率，但是對于RS422中低速傳輸沒有影響^[4-6]。

4 編碼算法在RS422通信的實現(xiàn)

    根據(jù)已知要求搭建硬件平臺，此平臺完成收據(jù)的收發(fā)功能，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸模型如圖2所示。系統(tǒng)中主控芯片采用XC3S400型號的FPGA，外接40 MHz晶振滿足傳輸速率的時鐘要求^[7]；RS422收發(fā)芯片采用MAX3295和MAX3284，此類芯片接口支持的最大速率可以達(dá)到20 Mb/s，滿足設(shè)計需求。

    FPGA發(fā)送端發(fā)送復(fù)位命令，在發(fā)送復(fù)位命令的同時自身復(fù)位，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。繼續(xù)發(fā)送字同步、移位脈沖，根據(jù)幀格式在每個移位脈沖的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)^[8]。因為采用6B/10B編碼時有效帶寬為4 bit，所以每個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)需要傳輸兩次，第一次傳輸數(shù)據(jù)的低4 bit，第二次傳輸數(shù)據(jù)的高4 bit。接收端接收到復(fù)位命令后復(fù)位，然后根據(jù)字同步信號進(jìn)行同步處理，最后根據(jù)移位脈沖信號判斷，在移位脈沖的上升沿接收數(shù)據(jù)并計算校正子，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，按照編碼格式進(jìn)行解碼。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)有一位數(shù)據(jù)出錯時可以自動糾錯，保證數(shù)據(jù)正確接收。發(fā)送接收流程如圖3所示。

5 數(shù)據(jù)驗證

    為了驗證理論的可行性，在已有硬件平臺的基礎(chǔ)上搭建完整的閉環(huán)測試系統(tǒng)。設(shè)計RS422收發(fā)板卡并且與CPCI機(jī)箱相連^[9]；搭建了30 m距離的通信電纜進(jìn)行通信，并且編寫相應(yīng)的上位機(jī)軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲和分析。發(fā)送端以10 Mb/s向接收端發(fā)送遞增數(shù)，遞增數(shù)的內(nèi)容為00H~FFH，并且增加幀計數(shù)用來判斷是否丟包和增加幀標(biāo)志易于一幀數(shù)據(jù)的判斷。接收端接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在接收1 GB的數(shù)據(jù)容量內(nèi)無誤碼。圖4為測試結(jié)果部分截圖。重復(fù)以上過程，在100次試驗數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)完整無誤碼，驗證了設(shè)計的可行性。

6 結(jié)論

    本文對制約RS422傳輸距離和速率的因素進(jìn)行分析，在不改變原有硬件的基礎(chǔ)上，通過分析得出對電纜性能的提升存在技術(shù)和工藝上的難點，對信號傳輸方式的改變是簡單易行的。通過借鑒高速傳輸總線的編碼方法，提出了一種適合RS422傳輸?shù)木幋a方式，采用8B/10B改進(jìn)版的6B/10B編碼方法。該方法去掉了8B/10B中繁瑣的直流平衡匹配，編碼數(shù)量少并且編碼表唯一，在一定程度上達(dá)到了數(shù)據(jù)的直流平衡，減小了處理器負(fù)擔(dān)；增加了向前糾錯的功能，可以自動糾正一位出錯位，使數(shù)據(jù)可靠傳輸；數(shù)據(jù)從6B映射到10B，增加了電平的跳變，能夠使處理器更加快速地識別數(shù)據(jù)信息，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。經(jīng)過大量實驗驗證，該編碼方法簡單可靠，能夠使數(shù)據(jù)在30 m長的雙絞線電纜上以10 Mb/s的速率長時間傳輸不出現(xiàn)誤碼，在工程中提高了RS422接口數(shù)據(jù)的吞吐率，達(dá)到很好的應(yīng)用效果。因為6B/10B編碼具有直流平衡的特點，同樣適用于中低速的LVDS傳輸，對LVDS傳輸邏輯上的簡化也有借鑒意義。

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作者信息:

任勇峰，王小兵，張凱華

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）