單片機(jī)雙向并行接口總線的長(zhǎng)線傳輸技術(shù)

一、 引言

單片機(jī)并口通信技術(shù)具有高速、數(shù)據(jù)量大、通信協(xié)議簡(jiǎn)單或無(wú)需通信協(xié)議等固有優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用雙向雙工并行傳輸方式時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換則要求兩套發(fā)送、接收設(shè)備和線路，將導(dǎo)致器件、線路成本顯著上升，這在工程實(shí)踐中極少應(yīng)用；而采用雙向并口總線進(jìn)行半雙工數(shù)據(jù)交換時(shí)，由于雙向總線信號(hào)為單端信號(hào)，抗干擾能力較差，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)之間的互連距離有嚴(yán)格的限制，通常只應(yīng)用于機(jī)箱內(nèi)的互連。尋找側(cè)重于廉價(jià)連接方案、能滿(mǎn)足機(jī)箱外一定互連距離要求的單片機(jī)雙向并行接口總線的長(zhǎng)線傳輸技術(shù)是每一個(gè)電路設(shè)計(jì)工程師都十分關(guān)心的課題。因?yàn)閱蜗虻目刂瓶偩€信號(hào)較容易通過(guò)差動(dòng)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器/接收器或集電極開(kāi)路（OC）門(mén)驅(qū)動(dòng)等方案實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線傳輸，所以本文主要關(guān)注于雙向的并行地址/數(shù)據(jù)總線的長(zhǎng)線傳輸問(wèn)題。

影響單片機(jī)雙向總線長(zhǎng)線傳輸可靠性的因素主要有傳輸線效應(yīng)、總線驅(qū)動(dòng)能力和電磁干擾（EMI），它們均可簡(jiǎn)單歸結(jié)為信號(hào)完整性問(wèn)題。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，雖然針對(duì)上述每一個(gè)因素的改善措施總會(huì)起到一定效果，但并不是，也從來(lái)不是上述哪一個(gè)因素單獨(dú)突出而起到主導(dǎo)作用。因此，所有的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)方法都值得認(rèn)真考慮并加以積極利用。

二、傳輸線效應(yīng)及其解決方案

按照電路分析的原理，當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度接近傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)時(shí)，不能再視為一條普通的導(dǎo)線，而應(yīng)視為長(zhǎng)線，需用傳輸線的理論去分析。在接口技術(shù)中，當(dāng)總線長(zhǎng)度和波長(zhǎng)可比擬時(shí)，也須把它視作長(zhǎng)線，考慮作為傳輸線帶來(lái)的影響，即所謂傳輸線效應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)證明：時(shí)鐘頻率為1～10 MHz時(shí)，在單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可不計(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50～100 MHz時(shí)，單板內(nèi)的總線設(shè)計(jì)也需考慮傳輸線效應(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(chēng)為長(zhǎng)線。最大匹配線長(zhǎng)度Lmax可由式(1)計(jì)算：

式中tr為傳輸信號(hào)的前沿時(shí)間，單位為ns；
v為電磁波速度，υ＝（１．４～2）×１０８?。恚?；
k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取k=4～5。

例如，取k=4，v=2×10８m/s，求得如表1所示的幾組數(shù)值：

還應(yīng)指出，當(dāng)負(fù)載變重，傳輸時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，最大匹配線的長(zhǎng)度需相應(yīng)縮短。傳輸線效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性的影響主要表現(xiàn)為：線路阻抗與外接負(fù)載不匹配導(dǎo)致的信號(hào)反射現(xiàn)象，電路的阻抗會(huì)使信號(hào)達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度。關(guān)于傳輸線理論的詳細(xì)知識(shí)有許多論文、著作可供讀者參考，這里只介紹幾個(gè)與工程實(shí)際密切相關(guān)的傳輸線參數(shù)。

1. 傳輸線特性阻抗Z0

傳輸線可看作是由分布電感和分布電容所組成，其特性阻抗：

式中L0、C0是單位長(zhǎng)度傳輸線的分布電感和分布電容，它們與導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)磁率及介電常數(shù)有關(guān)。因此，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中傳輸信號(hào)的各類(lèi)導(dǎo)線，其特性阻抗均不同，參考值如表2所示。

2. 延遲時(shí)間

由傳輸線效應(yīng)引起的信號(hào)延遲時(shí)間：

式中x為傳輸線的長(zhǎng)度。由此可知，導(dǎo)線單位長(zhǎng)度內(nèi)的電感量、電容量越大，導(dǎo)線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則延遲時(shí)間也越長(zhǎng)。

3. 反射系數(shù)

信號(hào)按一定的速度在傳輸線路中傳輸，當(dāng)輸入電壓經(jīng)分布電感、電容一直傳輸?shù)絺鬏斁€終端時(shí)，此時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)，由于電流不能發(fā)生突變并有反向感生電動(dòng)勢(shì)，因而引起反射波向源端傳輸。這樣，原來(lái)的電波與反射波相互重疊，引起波形失真。設(shè)Vo為入射電壓，VR為反射電壓，則電壓反射系數(shù)：

反射系數(shù)直接影響到信號(hào)傳輸?shù)氖д娑取?/p>

從技術(shù)上講，克服傳輸線效應(yīng)主要解決2個(gè)問(wèn)題：一是阻抗匹配，二是長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)。能實(shí)現(xiàn)終端阻抗匹配的電路方案比較多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，這里介紹2種在雙向接口總線的長(zhǎng)線傳輸（1～5 m）中證明有效的電路方案， 如圖1所示。圖1（a）中采用的是戴維寧式（Thevenin）并行端接方案，即分壓器型端接。戴維寧等效阻抗可表示：

通常其電阻的取值應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：

實(shí)際應(yīng)用中R1和R2的取值可取大一點(diǎn)，從而減少對(duì)發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載要求。此方案可以做到傳輸線特性阻抗的完全匹配，缺點(diǎn)是要消耗直流功率。在 IEEE－488總線中采用的即是這種匹配方案。某些情況可以使用圖1（b）的方案：肖特基二極管或快速開(kāi)關(guān)硅管并行端接，條件是二極管的開(kāi)關(guān)速度必須至少比信號(hào)上升時(shí)間快4倍以上。在傳輸線阻抗不好確定的情況下，使用二極管端接即方便又省時(shí)。肖特基二極管的低正向電壓降Vf（典型值0.3～0.45V）將輸入信號(hào)鉗位到GND－Vf和VCC＋Vf之間，這樣就顯著減小了信號(hào)的過(guò)沖（正尖峰）和下沖（負(fù)尖峰）。二極管端接的優(yōu)點(diǎn)在于，二極管替換了需要電阻和電容元件的戴維寧端接或RC端接，通過(guò)二極管鉗位減小過(guò)沖與下沖，不需要進(jìn)行傳輸線的精確阻抗匹配。有時(shí)也可以只端接一個(gè)二極管。