1引言
并行接口又稱為"并口" target="_blank">并口",是一種增強型雙向并行傳輸接口。"并口"是指8位數(shù)據(jù)同時通過并行線傳輸。這樣數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高,但并行傳輸線路長度受到限制。"長線"是相對于數(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,20 m的電纜" target="_blank">電纜即可認為是長線。增加傳輸線的長度,干擾增加,就容易出錯,使信號無法遠距離傳輸。
針對某大型光電" target="_blank">光電項目中并行數(shù)據(jù)接口問題提出改進方法。由于系統(tǒng)所用線纜較多,信號在長線(約20 m~25 m)中傳輸時,不僅存在傳輸延遲,而且會使信號畸變,并引入有害干擾,導致系統(tǒng)無法正常工作。
2原有設(shè)計方案及錯誤分析
原有并行數(shù)據(jù)接口部分設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。上位計算機控制并行接口器件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)信號經(jīng)由74HC245驅(qū)動傳送至下位機,數(shù)據(jù)信號進行雙向傳輸,對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。地址信號和控制信號為單向傳輸,同樣也采用74HC245作為驅(qū)動器。下位機經(jīng)由雙端口存儲器IDT7132與上位機通訊,且IDT7132的片選、使能、讀寫等信號也由8255A的C口編程設(shè)置。
由圖1可知道,兩邊設(shè)備的傳輸線路長度均為20 m,信號在長線傳輸中會出現(xiàn)嚴重衰變甚至發(fā)生畸變。尤其是在多路信號同時驅(qū)動時,高電平跳變嚴重,導致系統(tǒng)無法正常工作。以下對其進行分析。
2.1公共地線
發(fā)送與接收設(shè)備之間的地電位差對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性有很大影響。該設(shè)計中,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,導致地線信號中有電流產(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。當發(fā)送設(shè)備向接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時,接收設(shè)備得到的電壓信號與沒有地電位差時不同。當有用信號的電壓較小,而地電位差較大時,接收設(shè)備無法得到準確信號,數(shù)據(jù)傳輸將無法進行。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公共地線疊加在信號上,特別是作業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾通過公共地線能容易導入接收設(shè)備,影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。
2.2傳輸線效應(yīng)
2.2.1最大匹配線長度理論
根據(jù)電路分析原理,當導線長度接近于傳輸波長時,不能再視其為普通導線,而應(yīng)視為長線,需用傳輸線理論分析。在接口技術(shù)中,當總線長度和波長可比擬時,必須把它視作長線,考慮作為傳輸線帶來的影響,即傳輸線效應(yīng)。實驗證明:時鐘頻率為1 MHz~10 MHz時,單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可忽略不計,但板與板、箱與箱之間的傳輸線效應(yīng)必須考慮;當時鐘頻率為50 MHz~100 MHz時,單板內(nèi)的總線設(shè)計必須考慮傳輸線效應(yīng)。
傳輸線定義為所有導體及其接地回路的總和。當傳輸線長度超過最大匹配線長度Lmax時,稱為長線。最大匹配線長度Lmax可由式(1)計算:
式中:tr是傳輸信號的前沿時間,單位為ns;v為電磁波速度,v=(1.4~2)×108m/s;k為經(jīng)驗常數(shù),一般取k=4~5。
該方案中,最大匹配長度遠遠小于20 m,這就導致線路阻抗與外接負載不匹配,線路的阻抗使信號達不到規(guī)定的電壓幅值。傳輸線效應(yīng)引起信號延遲,傳輸線長度越長,延遲時間也越長。
2.2.2傳輸線電容分布
數(shù)據(jù)的傳輸實際上是信號的傳號和空號傳輸。而信號由空號變?yōu)閭魈柣蛴蓚魈栕優(yōu)榭仗枙r,實際上是對傳輸線分布電容充電和放電過程,而且充電的上升時間和放電的下降時間不同。當數(shù)據(jù)傳輸速度較高時,原本等寬的傳號和空號,變得不等,產(chǎn)生畸變,從而引起數(shù)據(jù)接收錯誤。
3解決途徑及改進措施
目前解決上述問題的途徑通常有以下兩種方案,實現(xiàn)長線傳輸。
3.1采用RS-422標準接口電路方式
EIA(Electronic Inductries Association)提出RS-422標準,有效消除了公共地線等影響。其特點是通過傳輸線驅(qū)動器將邏輯電平轉(zhuǎn)換為2 V~6 V的電壓信號,經(jīng)長線傳輸,再通過傳輸線接收器將電壓信號(最低為200 mV)轉(zhuǎn)換為邏輯電平,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于電壓信號獨立采用兩線傳輸,不經(jīng)過公共地線,因此,兩線對干擾信號應(yīng)該是對稱的。取兩線間的電壓差作為有用信號,可抵消干擾信號對有用信號的影響,增強電路對干擾信號的抑制能力。
3.2采用光電隔離電流環(huán)路接口方式
對傳輸線進行"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,在電→光→電信號的轉(zhuǎn)換過程中,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,因此,邏輯電平的信號傳遞變?yōu)楣潭娏鳝h(huán)中是否有電流傳遞。適當增大電流(低阻傳輸),使夾雜在信號中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開關(guān)電流幅值內(nèi),即使相對弱小的干擾信號電流無法改變有用信號電流的存在與否,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并行數(shù)據(jù)接口部分進行改進。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。在原有設(shè)計電路中,正是因為地線的交流阻抗特性,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,當電流流過地線時,產(chǎn)生電壓,造成地線噪聲。在地線噪聲的驅(qū)動下,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。因此會形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP2523-4對發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備進行電氣隔離,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。同時由于采用了54LS244,總線驅(qū)動能力得到了保障。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
實驗證明,改進后的設(shè)計電路,總線驅(qū)動能力增強,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)臏蚀_性。但因為光耦合器是單向傳輸器件,最終隔離的結(jié)果是全雙工信道,而并行全雙工信道的長線傳輸方案因技術(shù)、器件、線路成本等因素而很少在工程上應(yīng)用。因此,要求長距離數(shù)據(jù)通信或高數(shù)據(jù)傳輸速度時,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。