RS-232串行通信消除干擾噪聲的設(shè)計(jì)方法分析

　　絕緣可以隔開(kāi)地線(xiàn)、數(shù)據(jù)連接，或者把兩者都隔開(kāi)。地線(xiàn)絕緣使得一個(gè)電路對(duì)電源震蕩和在被附近電路共用的地線(xiàn)中的噪聲有免疫能力。在長(zhǎng)的連接中，地線(xiàn)絕緣還使得連接對(duì)從一端到另一端的接地電位差異有免疫能力。絕緣數(shù)據(jù)連接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。

　　大多數(shù)的電路連接使用直接的辦法，例如焊點(diǎn)或者諸如螺母接線(xiàn)端或壓接這樣的機(jī)械連接。利用電鍍絕緣，一個(gè)電路的地線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)與其他電路沒(méi)有電阻通道，或者直接的接觸。相反，電路可以使用光或者磁耦合來(lái)傳輸能量和信號(hào)。絕緣還使得每個(gè)電路對(duì)另一個(gè)電路中的噪聲具有免疫能力。

　　實(shí)現(xiàn)電鍍絕緣的一般方法包括使用變壓器來(lái)絕緣電源和使用光隔離器來(lái)隔離數(shù)據(jù)。在一個(gè)變壓器中，在線(xiàn)圈繞組之間的磁耦合使得主線(xiàn)圈中的電流在次線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流。光隔離器通過(guò)光敏電阻以及釋放和探測(cè)可見(jiàn)或者紅外波段中的能量的光敏二極管的方式來(lái)傳輸能量。以類(lèi)似的方式，一個(gè)光纖――光學(xué)接口將二個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并且在接收器中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　為了進(jìn)行完全的絕緣，RS-232連接的每一端需要一個(gè)RS-232接口使用的一個(gè)絕緣的電源，以及一個(gè)絕緣的接口，用來(lái)穿過(guò)絕緣屏障傳輸信號(hào)。在RS-232連接中，SG是信號(hào)地。因為RS-232接收器讀取的是信號(hào)線(xiàn)和SG之間的電壓，一個(gè)SG上的噪聲脈沖就能導(dǎo)致接收器誤讀一個(gè)邏輯電平。?

　　在數(shù)字邏輯中，+5 V是對(duì)信號(hào)地以上5 V電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)法。當(dāng)一個(gè)電路使用不只一個(gè)電源的時(shí)候，即使電源的接地線(xiàn)沒(méi)有相互絕緣，使接地通路保持獨(dú)立，減少了從一個(gè)通路耦合到另一個(gè)通路的噪聲。每個(gè)電源的接地線(xiàn)可以使用獨(dú)立的電線(xiàn)和電路板，只要在電源處連接到一起。?

　　含有模擬和數(shù)字電路的電路可以為每一種電路提供獨(dú)立的接地線(xiàn)，只在一個(gè)電源附近的點(diǎn)，連接這兩條通路。數(shù)字地線(xiàn)往往是有噪聲的，因?yàn)閿?shù)字輸出在它們切換的時(shí)候產(chǎn)生了大電流，因此將它們和模擬電路分開(kāi)就比較合理，這些模擬電路可能對(duì)微小的電壓變化比較敏感。?

1.1安全地線(xiàn)?

　　安全地線(xiàn)，或者保護(hù)地線(xiàn)，是1個(gè)大地地線(xiàn)連接，它通常是一個(gè)直徑很大的部分埋在地下的銅導(dǎo)線(xiàn)或者鍍銅管。1個(gè)電源插座上的3根導(dǎo)線(xiàn)中的1根就和安全地線(xiàn)相連，這個(gè)插座的另兩根導(dǎo)線(xiàn)是帶有220 V交流電壓的火線(xiàn)和1根零線(xiàn)，帶有220 V交流電的返回電流，零線(xiàn)連接到安全地線(xiàn)。這意味著所有建筑的電路零線(xiàn)通常在入口處有一個(gè)與建筑的連接。?

　　安全地線(xiàn)在出現(xiàn)故障的情況下提供了一個(gè)對(duì)地的低阻抗通路。例如，在很多電源中，有1個(gè)端點(diǎn)將安全地線(xiàn)和電源的底盤(pán)相連。如果底盤(pán)沒(méi)有接地并且1根松散的導(dǎo)線(xiàn)或者元件故障導(dǎo)致1個(gè)電壓源和底盤(pán)相接觸，這個(gè)底盤(pán)就可能攜帶高電壓。如果底盤(pán)接地了，電流就會(huì)沿著這個(gè)低阻抗通路流向大地直到保險(xiǎn)絲熔斷，電路斷開(kāi)。?

　　TIA／EIA―232標(biāo)準(zhǔn)中，有一個(gè)DCE可以有1個(gè)可移動(dòng)的跨接來(lái)連接SG和安全地線(xiàn)。實(shí)際上，DCE和DTE上的SG線(xiàn)經(jīng)常和一個(gè)安全地線(xiàn)相連。?

1.2大地地線(xiàn)?

　　一個(gè)安全地線(xiàn)是一個(gè)大地地線(xiàn)。因?yàn)槿魏坞姎怆娐房梢赃B接到大地地線(xiàn)，所以它往往不是一個(gè)安靜的、穩(wěn)定的參考，相反它可以攜帶大量的各種類(lèi)型的噪聲?？梢援a(chǎn)生接地噪聲的因素包括設(shè)備開(kāi)關(guān)切換、電源系統(tǒng)波動(dòng)、電路故障、雷擊或者任何引起電流波動(dòng)的事件。噪聲可以表現(xiàn)為傾角，尖峰脈沖，60 Hz振動(dòng)，或者任何形式的磁、電場(chǎng)變化。

　　不同位置的大地地線(xiàn)相互之間可能有電氣連接，也可能沒(méi)有。它們是否相連，以及接地電壓變化多大，部分取決于在接地線(xiàn)連接之間的介質(zhì)的導(dǎo)電性能的好壞。?

1.3共用接地線(xiàn)的影響?

　　如果一個(gè)RS-232連接的兩端共享一個(gè)共用的大地地線(xiàn)，并且SG線(xiàn)也接到安全地線(xiàn)，從所有源頭來(lái)的接地電流將會(huì)尋找阻抗最低的通路：大地地線(xiàn)或者SG線(xiàn)。這種情況，有多個(gè)返回通路，被稱(chēng)作一個(gè)接地回路，顯然這不是所希望的。如果兩臺(tái)設(shè)備處在不同的建筑內(nèi)部，使用不同的電源系統(tǒng)，SG有可能比其他通路有更小的阻抗，從其他源頭來(lái)的接地電流就可能在連接的接地線(xiàn)上找到它們的通路，這會(huì)導(dǎo)致連接中的一個(gè)有噪聲的接地線(xiàn)。一個(gè)有絕緣的接地線(xiàn)的連接就避免了這個(gè)問(wèn)題。?

2 電源地線(xiàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)用?

　　一個(gè)絕緣的接口要求為這個(gè)絕緣屏障的每一端提供一個(gè)電源。圖2顯示了兩個(gè)絕緣的RS-232接口。每個(gè)接口使用一個(gè)雙電源，如圖1所示。在這個(gè)電源中一個(gè)變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)變成兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈中的低電壓。一個(gè)線(xiàn)圈為計(jì)算機(jī)或者其他連接到光隔離器的設(shè)備端的電路提供電壓。另一個(gè)線(xiàn)圈為RS―232接口提供電壓。每個(gè)電源有它自己的接地線(xiàn)，并且這些接地線(xiàn)必須和一個(gè)大地地線(xiàn)、底盤(pán)或者信號(hào)地線(xiàn)沒(méi)有共同的連接。這個(gè)接口可以使用兩個(gè)完全分開(kāi)的電源或者輸出沒(méi)有共享一個(gè)通用地線(xiàn)的電池，而不是有兩個(gè)線(xiàn)圈的一個(gè)電源。如何掌握一個(gè)直流電源是否與大地地線(xiàn)絕緣了呢?在大多數(shù)用線(xiàn)電壓供電的直流電源中，一個(gè)變壓器將線(xiàn)電壓降壓到一個(gè)較低的數(shù)值，其他元件整流、過(guò)濾和調(diào)節(jié)這個(gè)電壓的輸出到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓值。在變壓器的主線(xiàn)圈和副線(xiàn)圈之間需要的唯一的連接是主線(xiàn)圈中有電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁耦合。這樣，這個(gè)變壓器就能夠?qū)㈦娫摧敵雠c線(xiàn)電壓導(dǎo)線(xiàn)和安全地線(xiàn)絕緣。實(shí)際上，有的數(shù)字電路電源的輸出沒(méi)有連接到安全地線(xiàn)。在輸出端，因?yàn)殡妷汉艿?，穩(wěn)壓器限制了電流，如果電路試圖產(chǎn)生大的電流，一根保險(xiǎn)絲就將電路斷開(kāi)。?

　
　　在其他電源中，輸出的接地末端連接到一個(gè)安全地，打破了這個(gè)絕緣。結(jié)果就是和其他還連接到安全地或者大地地線(xiàn)的電路的共享接地線(xiàn)。即使是這些電路處于不同的建筑中或者相距數(shù)千英尺，它們之間也可能存在一個(gè)連接。?

　　有兩線(xiàn)電源插座的電源可能看上去沒(méi)有安全地線(xiàn)連接，但是零線(xiàn)在外接電路插入電源的時(shí)候，是連接到安全地線(xiàn)的。這個(gè)電源的輸出只有在它的接地線(xiàn)沒(méi)有和零線(xiàn)相連的時(shí)候才是絕緣的。 ?

　　對(duì)于含有變壓器的電源而言，可以用一個(gè)歐姆表來(lái)查看這個(gè)輸出是否和安全地線(xiàn)絕緣。利用電源，量測(cè)在電源的安全地和這個(gè)直流輸出的接地線(xiàn)末端之間的阻抗。如果這個(gè)歐姆表顯示有連接，就表示沒(méi)有絕緣。在電源內(nèi)部、零線(xiàn)和安全地線(xiàn)應(yīng)該沒(méi)有連接。也可以用歐姆表驗(yàn)證這一點(diǎn)。?

　　有的電源不使用變壓器，它們僅僅是直接整流，降低和過(guò)濾線(xiàn)電壓。在這種情況下，輸出就沒(méi)有與大地地線(xiàn)絕緣。即使是電源插座沒(méi)有安全地線(xiàn)引腳，在外接電路插入電源的時(shí)候，零線(xiàn)也是連接到安全地線(xiàn)的。?

3采用光電隔離器

　　光隔離器穿過(guò)一個(gè)隔離的屏障來(lái)傳輸信號(hào)。一個(gè)光隔離器由一個(gè)與光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過(guò)發(fā)光二極管的電流使得它以可見(jiàn)光或者紅外線(xiàn)的方式釋放能量。這些能量將這個(gè)光敏電阻打開(kāi)，導(dǎo)致在這個(gè)電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個(gè)發(fā)光二極管的基極可以留著沒(méi)有連接。從基極到發(fā)射極加入一個(gè)電阻可以導(dǎo)致更快的開(kāi)關(guān)速度，但是輸出電流更低。

　　圖2的接口使用了6N1398光隔離器，它是設(shè)計(jì)用來(lái)和LSTTL邏輯直接連接的。它們的增益很高達(dá)400％，但一個(gè)發(fā)光二極管的電流只有0.5 mA。在TTL到RS-232電路中，在74LSl4轉(zhuǎn)換器的引腳3的一個(gè)邏輯低電平使得電流流過(guò)這個(gè)發(fā)光二極管，這就打開(kāi)了相應(yīng)的光敏電阻，使得它的集電極處于低電平。這個(gè)MAX233將這個(gè)信號(hào)反向，然后發(fā)送一個(gè)正的RS-232電壓。

　　在74LSl4引腳3的邏輯高電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻。MAX233位于引腳2的內(nèi)部上拉電阻產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的RS―232電壓。?

　　光隔離器在另一個(gè)方向上也是以類(lèi)似的方式工作。一個(gè)負(fù)的RS-232輸入使得MAX233輸出一個(gè)邏輯高電平。這個(gè)邏輯高電平將發(fā)光二極管和光敏電阻打開(kāi)，導(dǎo)致在74LSl4的引腳1的邏輯低電平和引腳2的邏輯高電平。一個(gè)正的RS-232輸入導(dǎo)致MAX233輸出一個(gè)邏輯低電平。這個(gè)邏輯低電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻。一個(gè)上拉電阻將74LSl4的引腳l拉到高電平，導(dǎo)致在引腳2處出現(xiàn)邏輯低電平。?

　　RS-232到RS-232電路顯示了怎樣通過(guò)使用一個(gè)RS-232輸出來(lái)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)絕緣一個(gè)現(xiàn)有的，未絕緣的RS-232接口。當(dāng)RS-232電壓為正的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管打開(kāi)，并且這個(gè)絕緣的RS-232輸出也是正的。當(dāng)這個(gè)未絕緣的輸出為負(fù)的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管關(guān)閉，并且一個(gè)二極管將這個(gè)電壓限制在大約-0?7 V。在另一個(gè)方向上，電路類(lèi)似于它上邊的電路，除了因?yàn)檫@個(gè)未絕緣RS-232已經(jīng)將信號(hào)反向，因而不需要一個(gè)LS74系列的反向器以外。

?

圖2光耦合器從TTL到RS-232或從現(xiàn)有的RS-232到一個(gè)絕緣的RS-232形成一個(gè)絕緣的接口?

　　對(duì)于最底下電路的V_CCl，如果沒(méi)有其他用途的話(huà)，可以在D_TR或者R_TS使用一個(gè)正的輸出。這個(gè)電路在V_CCl這一邊的電纜應(yīng)該較短。光敏電阻的開(kāi)關(guān)時(shí)間是幾微秒，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度不會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸速度為?20 kb/s?或者更低的時(shí)候?qū)е氯魏螁?wèn)題。對(duì)于更快的波特率，應(yīng)該尋找一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間為這個(gè)位寬度的1/10或者更短的發(fā)光二極管。?

　　另一個(gè)實(shí)現(xiàn)絕緣接口的方法是為接口的RS-232―端使用一個(gè)獨(dú)立的、絕緣的+12 V電源。這也使能夠使用較便宜的1488／9驅(qū)動(dòng)器和接收器。?

　　此外，可以選用Max252接口，Max252是一個(gè)在一個(gè)單一的封裝里的完整的、絕緣的RS-232接口。這個(gè)芯片包括一個(gè)石英諧振器和一個(gè)微型的變壓器，這個(gè)變壓器從芯片的5 V電源產(chǎn)生一個(gè)隔離的電源。它還有兩個(gè)光隔離的驅(qū)動(dòng)器／接收器對(duì)。?

　　絕緣連接的另一種方式是使用光纖電纜來(lái)取代銅導(dǎo)線(xiàn)。光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，它們對(duì)接地噪聲和電磁干擾有抵抗力，并且自身不產(chǎn)生電磁干擾。光纖電纜往往可以在1～2.5 mil之后才需要使用轉(zhuǎn)發(fā)器。?

4 電涌保護(hù)設(shè)計(jì)?

　　電涌保護(hù)是使電路免受噪聲或者破壞性電壓和電流攻擊的有效方法。理想的電涌保護(hù)應(yīng)該吸收所有處在連接操作范圍之外的電壓和電流，而不在任何方面限制連接的傳輸。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可在連接中添加電容，以避免由于電壓波動(dòng)而造成的不良影響，因此也限制了最大的波特率。?

　　在正常的操作中，這個(gè)保護(hù)設(shè)備表現(xiàn)出很高的電阻，因此事實(shí)上對(duì)于傳輸電路而言是不可見(jiàn)的。當(dāng)線(xiàn)路存在一個(gè)高電壓涌流時(shí)，保護(hù)設(shè)備打開(kāi)，提供了一個(gè)到地的電阻通道。?

　　兩個(gè)有用的涌流抑制設(shè)備是TVS二極管和氣電管。TVS(瞬時(shí)電壓抑制)二極管在關(guān)閉的時(shí)候有很小的電容，且反應(yīng)迅速(10??-12? s)，并且可以在很大擊穿電壓范圍內(nèi)使用。氣電管要慢一些，但是可以在更高的電壓下提供保護(hù)。有的連接兩者都使用。每一種設(shè)備應(yīng)該連接穿過(guò)一個(gè)接地跨接或者其他直接與大地地線(xiàn)的低阻抗連接。?

參考文獻(xiàn)

1（美）Mark Nelson.串行通信開(kāi)發(fā)指南. 北京:中國(guó)水利出版社,2000,9?
2（美）Jan Axelson.串行端口大全.北京:中國(guó)電力出版社,2001,5?
3范逸之.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國(guó)青年出版社，2000,8