惡劣環(huán)境下隔離型串行通訊接口的應(yīng)用

MAX667是一個(gè)穩(wěn)壓模塊，即低阻輸出的線性調(diào)壓器，它將MAX253輸出的電壓穩(wěn)定在+5V，使之成為一個(gè)恒壓源。通過(guò)變壓器與光耦的隔離和耦合作用，使得左右兩側(cè)的電源電路沒(méi)有任何電氣連接點(diǎn)，因而能承受有效值高達(dá)1800V的高壓沖擊。
這種設(shè)計(jì)適用于高壓、地電位差大、噪聲大的惡劣環(huán)境下使用。因此，對(duì)電路中所用的變壓器和光耦有嚴(yán)格的技術(shù)要求。
為保障可靠的隔離，其虛線所指示的“隔離屏障”是不能破壞的，某一側(cè)的元件、連接點(diǎn)或連接線不能靠近另一側(cè)的元件、連接點(diǎn)或連接線。
光耦器件能抑制各種尖脈沖及各種噪音等的干擾，從而在傳輸信息中大大提高信噪比。它的輸入阻抗都很低，而干擾源的內(nèi)阻一般都比較大，因此能饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就比較小。雖然干擾源也能供給較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能產(chǎn)生微弱的電流，因此即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒(méi)有足夠的能量，不能使LED發(fā)光，從而也會(huì)被抑制掉。它的輸出是高阻抗的，因此布局時(shí)應(yīng)盡量靠近接口芯片，即盡量縮短光耦輸出腳與接口芯片引腳之間的連線，使得分布電容盡量小而有利于提高傳輸率。
圖中所用的光耦是限制接口通信速率的主要因素，必須選用高速器件。接口速率的上限取決于器件本身的技術(shù)參數(shù)，單個(gè)通道的通常為10MB／s(光耦6N137)或1MB／s(光耦6N135)等。若用廉價(jià)的4N系列非線性光耦取代高價(jià)的6N137元件，其數(shù)據(jù)傳輸率也可達(dá)到9．6kb／s。
圖中的電源實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)DC-DC變換器，輸出波紋較大，如果在MAX253的輸出端增加兩個(gè)元件組成一個(gè)簡(jiǎn)單的LC低通濾波器，則輸出波紋噪聲峰值可以減少到大約只有10mV。
圖中的串行通信接口MAX481采用差分平衡方式傳送數(shù)據(jù)，對(duì)共模信號(hào)有很好的抑制作用。理論上講，A、B兩條線對(duì)地而言應(yīng)該是完全對(duì)稱的，但是我們?cè)趯?shí)際調(diào)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸速度不高或傳輸距離不遠(yuǎn)時(shí)，完全可以省掉地線，采用一對(duì)普通的雙絞線即可獲得滿意的效果。當(dāng)周圍環(huán)境比較惡劣，傳輸速度很高或傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)使用帶屏蔽的雙絞線電纜，屏蔽線作為地線，且在主站一端應(yīng)可靠接入大地，另一端則懸空。
如果電纜兩端都接地，通常兩個(gè)地的“地電位”不可能完全相同，如果兩個(gè)地存在較大的“地電位差”，那么在屏蔽線中會(huì)形成電流而產(chǎn)生干擾。因此，另一端需要懸空。
另一種解決方法是屏蔽線兩端都不直接接地，但是也不懸空，而是分別通過(guò)一個(gè)100 Ω／1W的限流電阻將屏蔽線接各自的公共地，即機(jī)殼地，這樣也可以抑制電流引入的干擾。
我們知道發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的接收器節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)256個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率可以從幾百kb／s到32Mb／s。由于串行通信接口節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，就需要考慮終端匹配的問(wèn)題。終端匹配電阻的阻值理論上應(yīng)等于電纜的特性阻抗，這樣才能徹底抑制傳輸線終端形成的反射現(xiàn)象。但在實(shí)際使用過(guò)程中，難以達(dá)到完全匹配的效果。
在調(diào)試使用過(guò)程中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，傳輸線效應(yīng)不明顯時(shí)，不必接終端匹配電阻。接上還可能加重負(fù)載，使信號(hào)幅度明顯下降。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率很高時(shí)，為了減小反射，應(yīng)連接終端匹配電阻。可使用以下方法進(jìn)行調(diào)試。
先連好網(wǎng)絡(luò)并做好通信的準(zhǔn)備，再令主站以實(shí)際使用的波特率連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)55H，此時(shí)用示波器可測(cè)得通信線路上的方波，在接收端觀察波形，調(diào)整終端匹配電阻的大小直到獲得最佳波形為止。但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波形好，效果卻可能并不理想的情況，這種情況通常是波形幅值偏低造成的；雙絞線之間的波形幅值電壓應(yīng)不小于200mV，否則應(yīng)降低波特率或更換質(zhì)量更好的電纜。按上述方法調(diào)試，就能得到滿意的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)
隔離型數(shù)據(jù)接口電路設(shè)計(jì)保證了惡劣電磁環(huán)境下數(shù)據(jù)通訊的可靠性。它既對(duì)供電電路進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，保證了供電的穩(wěn)定性；又對(duì)數(shù)據(jù)接口采用了光耦隔離，有效提高了耐沖擊、抗干擾能力。在實(shí)際的使用中電路性能穩(wěn)定可靠，保障了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中工作正常。