單片機雙向并行接口總線的長線傳輸技術(shù)

一、 引言

單片機并口通信技術(shù)具有高速、數(shù)據(jù)量大、通信協(xié)議簡單或無需通信協(xié)議等固有優(yōu)點。當(dāng)采用雙向雙工并行傳輸方式時，單片機系統(tǒng)要進行數(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，這在工程實踐中極少應(yīng)用；而采用雙向并口總線進行半雙工數(shù)據(jù)交換時，由于雙向總線信號為單端信號，抗干擾能力較差，對單片機系統(tǒng)之間的互連距離有嚴(yán)格的限制，通常只應(yīng)用于機箱內(nèi)的互連。尋找側(cè)重于廉價連接方案、能滿足機箱外一定互連距離要求的單片機雙向并行接口總線的長線傳輸技術(shù)是每一個電路設(shè)計工程師都十分關(guān)心的課題。因為單向的控制總線信號較容易通過差動長線驅(qū)動器/接收器或集電極開路（OC）門驅(qū)動等方案實現(xiàn)長線傳輸，所以本文主要關(guān)注于雙向的并行地址/數(shù)據(jù)總線的長線傳輸問題。

影響單片機雙向總線長線傳輸可靠性的因素主要有傳輸線效應(yīng)、總線驅(qū)動能力和電磁干擾（EMI），它們均可簡單歸結(jié)為信號完整性問題。需要強調(diào)指出的是，雖然針對上述每一個因素的改善措施總會起到一定效果，但并不是，也從來不是上述哪一個因素單獨突出而起到主導(dǎo)作用。因此，所有的電磁兼容性（EMC）設(shè)計方法都值得認(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)線長度接近傳輸?shù)牟ㄩL時，不能再視為一條普通的導(dǎo)線，而應(yīng)視為長線，需用傳輸線的理論去分析。在接口技術(shù)中，當(dāng)總線長度和波長可比擬時，也須把它視作長線，考慮作為傳輸線帶來的影響，即所謂傳輸線效應(yīng)。經(jīng)驗證明：時鐘頻率為1～10 MHz時，在單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可不計，但板與板、箱與箱之間的傳輸線效應(yīng)必須考慮；當(dāng)時鐘頻率為50～100 MHz時，單板內(nèi)的總線設(shè)計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為傳輸信號的前沿時間，單位為ns；
v為電磁波速度，υ＝（１．４～2）×１０８?。恚螅?br /> k為經(jīng)驗常數(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，傳輸時間延長時，最大匹配線的長度需相應(yīng)縮短。傳輸線效應(yīng)對信號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)致的信號反射現(xiàn)象，電路的阻抗會使信號達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度。關(guān)于傳輸線理論的詳細(xì)知識有許多論文、著作可供讀者參考，這里只介紹幾個與工程實際密切相關(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，對于計算機系統(tǒng)中傳輸信號的各類導(dǎo)線，其特性阻抗均不同，參考值如表2所示。

2. 延遲時間

由傳輸線效應(yīng)引起的信號延遲時間：

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

3. 反射系數(shù)

信號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，此時一般會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點，由于電流不能發(fā)生突變并有反向感生電動勢，因而引起反射波向源端傳輸。這樣，原來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個問題：一是阻抗匹配，二是長線驅(qū)動。能實現(xiàn)終端阻抗匹配的電路方案比較多，各有其優(yōu)缺點，這里介紹2種在雙向接口總線的長線傳輸（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)滿足下列條件：

實際應(yīng)用中R1和R2的取值可取大一點，從而減少對發(fā)送端驅(qū)動器的負(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關(guān)硅管并行端接，條件是二極管的開關(guān)速度必須至少比信號上升時間快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。肖特基二極管的低正向電壓降Vf（典型值0.3～0.45V）將輸入信號鉗位到GND－Vf和VCC＋Vf之間，這樣就顯著減小了信號的過沖（正尖峰）和下沖（負(fù)尖峰）。二極管端接的優(yōu)點在于，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，通過二極管鉗位減小過沖與下沖，不需要進行傳輸線的精確阻抗匹配。有時也可以只端接一個二極管。