基于電流環(huán)電路的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸

工業(yè)控制應(yīng)用中常常涉及到一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)或者控制信號(hào)的長距離準(zhǔn)確傳輸。當(dāng)今主流數(shù)字集成電路芯片往往采用CMOS或者TTL電平作為數(shù)據(jù)交互的載體，即使對(duì)于一般的工業(yè)環(huán)境而言，僅僅依靠這兩種電平信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)都是難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的。RS-232和RS-422/485的引入使真正的工業(yè)控制(特別是惡劣的環(huán)境的控制)變?yōu)榭赡?。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，按照電平噪聲設(shè)計(jì)容限,RS-232的有效傳輸距離為10 m左右，RS-422/485也能夠在100 m內(nèi)取得良好的數(shù)據(jù)傳輸效果。這種電平信號(hào)的傳輸距離受物理通道的影響較大，容易受到信道容抗衰減，使傳輸距離受限。若將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，以電流作為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一方面可以增大信號(hào)的噪聲容限，另一方面也可以提高信號(hào)的抗衰減能力。

1 電流環(huán)電路原理

按照歐姆定律U=IR可知,電平信號(hào)與對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)由回路中的阻抗（容抗/感抗）來決定。控制器輸出的信號(hào)功率限制了信號(hào)的傳輸距離，因而可以通過一個(gè)晶體放大器來提升信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，如圖1所示。當(dāng)Q1基極輸入為0時(shí)，Q1截止，集電極沒有電流流過；當(dāng)Q1的輸入為1時(shí)，電流由VCC流經(jīng)R3、傳輸電纜R2、Q1、R1,最后回到接收端，形成電流回路。在接收端由電壓比較器U1獲取電阻R3上的壓降，從而形成輸出電平信號(hào)。由歐姆定律得知:當(dāng)R3上沒有電流流過時(shí)，R3兩端壓降為0，比較器U1的輸出也降為0；當(dāng)R3上有電流流過時(shí)，R3上的壓降為U1形成輸入，從而U1也將輸出高電平[1]。

由圖1可知,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中的電流I=IQ(IQ為晶體管的集電極電流),同時(shí)受到Q1、線路阻抗R2和R3以及電源VCC的影響。一旦選定足使Q1進(jìn)入飽和狀態(tài)的VCC(主要由線路的直流阻抗決定),則IQ的大小由Q1的基極輸入決定；同時(shí)忽略U1的輸入阻抗，則U1的輸入電壓Ud=IQR3。只要恰當(dāng)?shù)剡x定R3，數(shù)據(jù)的傳輸將不受外界噪聲的影響。為防止誤操作，可以設(shè)定U1輸入的門限或者調(diào)整R3大小，來提高系統(tǒng)可靠性[2]。

在工業(yè)控制中，電氣隔離是保證整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要措施之一，而圖1所示的原理沒有任何隔離，不適合直接在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。
為避免圖1中系統(tǒng)執(zhí)行部分對(duì)控制器的干擾，常用光電隔離的方法來抑制系統(tǒng)執(zhí)行部分的電氣噪聲。圖2給出了一種改進(jìn)后的電流環(huán)電路（方框中表示電路中的數(shù)據(jù)傳輸的物理通道）[3]，包括兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸電路：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX端的數(shù)據(jù)控制U1中的發(fā)光二極管開關(guān)，從而控制U2上發(fā)光二極管電流的通斷，最終使數(shù)據(jù)到達(dá)RX1端；同樣的工作原理，接收數(shù)據(jù)時(shí)可由RX端讀取經(jīng)U4、R4、R5、C3、C1、U3等傳送來的數(shù)據(jù)。由此，可實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接受端電氣的完全隔離，且通過電流的方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。同樣，只要保證VCC一定的穩(wěn)定性，高頻噪聲或者電網(wǎng)的波動(dòng)無法形成傳輸回路的電流，可以降低傳輸物理通道中數(shù)據(jù)受到干擾的可能性。
從圖2可知，數(shù)據(jù)的單向傳輸雖然可以取得良好的隔離和抗干擾的效果，但是需要兩根導(dǎo)線來完成。如果距離較遠(yuǎn)，這種方式顯得很不經(jīng)濟(jì)。

圖3給出了一種經(jīng)濟(jì)型的電路。當(dāng)在控制近端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),U2中光電管的輸出由TXD輸出來控制，電流流經(jīng)控制器遠(yuǎn)端U1中的發(fā)光二極管；若此時(shí)遠(yuǎn)端U2作為使能端，則RXD能夠接收到來自控制器近端的信息[4]。同理，RXD可以讀取來自控制器遠(yuǎn)端由TXD發(fā)送過來的信息。與圖2所示電路相比，該電路節(jié)約了物理通道，但只能實(shí)現(xiàn)半雙工通信。

2 工程使用電路

圖4和圖5示意了工程上遠(yuǎn)距離串行通信的使用電路，在圖3電路的基礎(chǔ)上增加了邏輯門、晶體管等器件，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。其中，RXD為讀取數(shù)據(jù)端、TXD為發(fā)送數(shù)據(jù)端、SEL_CH為通道的控制邏輯。在此基礎(chǔ)上可以將多個(gè)通道進(jìn)行并聯(lián)，由主控制器通過SEL_CH通道選擇邏輯，以查詢的方式實(shí)現(xiàn)與多個(gè)終端的通信。

圖6顯示了處理器通過上述電路與5個(gè)終端實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)交互的原理。該電路在實(shí)際工程上用于對(duì)多個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,在通信速率為19.2 kb/s，距離300 m時(shí)取得非常穩(wěn)定的效果。

由基本電路理論可知，交流信號(hào)傳輸過程中，主要受信道的感抗、容抗影響。在整個(gè)數(shù)據(jù)的物理通道上，相對(duì)容抗而言，感抗非常小。故傳輸速率主要受光電耦合器件、晶體管的容抗影響。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇這些器件，降低傳輸通道的容抗,有利于提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互速率和穩(wěn)定性。

工程應(yīng)用結(jié)果表明，以電流作為載體來進(jìn)行工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)交互，具有很強(qiáng)的抗噪聲和電源波動(dòng)干擾的能力。在物理上采用兩線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，降低了對(duì)通信電纜的要求，也比差分電平信號(hào)傳輸更經(jīng)濟(jì)。圖5所示的電路在工程實(shí)踐中用來實(shí)現(xiàn)中央控制機(jī)與多個(gè)終端設(shè)備串口數(shù)據(jù)交互，并取得了成功。該電路并不局限于串口數(shù)據(jù)的交互，通過略加變換也可以應(yīng)用到eCan、Spi、I2C等總線中。

參考文獻(xiàn)
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[3] 沈國偉，費(fèi)元春．HART通信協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表遠(yuǎn)程通信中的實(shí)現(xiàn)[J]．今日電子，2003(11)：22-24．
[4] 陽憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1999．