光電設(shè)備中并行數(shù)據(jù)接口的改進方法

1引言

　　并行接口又稱為"并口"，是一種增強型雙向并行傳輸接口。"并口"是指8位數(shù)據(jù)同時通過并行線傳輸。這樣數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高，但并行傳輸線路長度受到限制。"長線"是相對于數(shù)據(jù)的傳輸速度而言的。例如，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b／s時，20 m的電纜即可認為是長線。增加傳輸線的長度，干擾增加，就容易出錯，使信號無法遠距離傳輸。

　　針對某大型光電項目中并行數(shù)據(jù)接口問題提出改進方法。由于系統(tǒng)所用線纜較多，信號在長線(約20 m～25 m)中傳輸時，不僅存在傳輸延遲，而且會使信號畸變，并引入有害干擾，導致系統(tǒng)無法正常工作。

2原有設(shè)計方案及錯誤分析

　　原有并行數(shù)據(jù)接口部分設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。上位計算機控制并行接口器件8255A的A口傳輸數(shù)據(jù)，B口和C口分別作為地址端口和控制端口。數(shù)據(jù)信號經(jīng)由74HC245驅(qū)動傳送至下位機，數(shù)據(jù)信號進行雙向傳輸，對8255A的C口編程設(shè)置為數(shù)據(jù)74HC245的使能和傳輸方向選通信號。地址信號和控制信號為單向傳輸，同樣也采用74HC245作為驅(qū)動器。下位機經(jīng)由雙端口存儲器IDT7132與上位機通訊，且IDT7132的片選、使能、讀寫等信號也由8255A的C口編程設(shè)置。

　　由圖1可知道，兩邊設(shè)備的傳輸線路長度均為20 m，信號在長線傳輸中會出現(xiàn)嚴重衰變甚至發(fā)生畸變。尤其是在多路信號同時驅(qū)動時，高電平跳變嚴重，導致系統(tǒng)無法正常工作。以下對其進行分析。

2.1公共地線

　　發(fā)送與接收設(shè)備之間的地電位差對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性有很大影響。該設(shè)計中，收發(fā)設(shè)備間連接一條公共地線。由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備使用各自的電源系統(tǒng)，兩者電位可能不一致，導致地線信號中有電流產(chǎn)生。由于傳輸線存在電阻，地線兩端產(chǎn)生壓降，即地電位差。當發(fā)送設(shè)備向接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收設(shè)備得到的電壓信號與沒有地電位差時不同。當有用信號的電壓較小，而地電位差較大時，接收設(shè)備無法得到準確信號，數(shù)據(jù)傳輸將無法進行。另一方面，由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備間存在公共地線，因此各種干擾極易通過公共地線疊加在信號上，特別是作業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾通過公共地線能容易導入接收設(shè)備，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

2.2傳輸線效應(yīng)

2.2.1最大匹配線長度理論

　　根據(jù)電路分析原理，當導線長度接近于傳輸波長時，不能再視其為普通導線，而應(yīng)視為長線，需用傳輸線理論分析。在接口技術(shù)中，當總線長度和波長可比擬時，必須把它視作長線，考慮作為傳輸線帶來的影響，即傳輸線效應(yīng)。實驗證明：時鐘頻率為1 MHz～10 MHz時，單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可忽略不計，但板與板、箱與箱之間的傳輸線效應(yīng)必須考慮；當時鐘頻率為50 MHz～100 MHz時，單板內(nèi)的總線設(shè)計必須考慮傳輸線效應(yīng)。

　　傳輸線定義為所有導體及其接地回路的總和。當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是傳輸信號的前沿時間，單位為ns；v為電磁波速度，v=(1.4～2)×108m／s；k為經(jīng)驗常數(shù)，一般取k=4～5。

　　該方案中，最大匹配長度遠遠小于20 m，這就導致線路阻抗與外接負載不匹配，線路的阻抗使信號達不到規(guī)定的電壓幅值。傳輸線效應(yīng)引起信號延遲，傳輸線長度越長，延遲時間也越長。

2.2.2傳輸線電容分布

　　數(shù)據(jù)的傳輸實際上是信號的傳號和空號傳輸。而信號由空號變?yōu)閭魈柣蛴蓚魈栕優(yōu)榭仗枙r，實際上是對傳輸線分布電容充電和放電過程，而且充電的上升時間和放電的下降時間不同。當數(shù)據(jù)傳輸速度較高時，原本等寬的傳號和空號，變得不等，產(chǎn)生畸變，從而引起數(shù)據(jù)接收錯誤。

3解決途徑及改進措施

　　目前解決上述問題的途徑通常有以下兩種方案，實現(xiàn)長線傳輸。

3.1采用RS-422標準接口電路方式

　　EIA(Electronic Inductries Association)提出RS-422標準，有效消除了公共地線等影響。其特點是通過傳輸線驅(qū)動器將邏輯電平轉(zhuǎn)換為2 V～6 V的電壓信號，經(jīng)長線傳輸，再通過傳輸線接收器將電壓信號(最低為200 mV)轉(zhuǎn)換為邏輯電平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于電壓信號獨立采用兩線傳輸，不經(jīng)過公共地線，因此，兩線對干擾信號應(yīng)該是對稱的。取兩線間的電壓差作為有用信號，可抵消干擾信號對有用信號的影響，增強電路對干擾信號的抑制能力。

3.2采用光電隔離電流環(huán)路接口方式

　　對傳輸線進行"隔離"、"浮地"處理是較好的方法。采用光電隔離電路，可省去數(shù)據(jù)交換的兩設(shè)備間的公共地線，使兩設(shè)備電氣隔離。同時，在電→光→電信號的轉(zhuǎn)換過程中，就光電耦合器件而言，只要輸入端有電流，輸出端就能輸出相應(yīng)的數(shù)字信號，因此，邏輯電平的信號傳遞變?yōu)楣潭娏鳝h(huán)中是否有電流傳遞。適當增大電流(低阻傳輸)，使夾雜在信號中的電氣噪聲被完全限制在所選擇的開關(guān)電流幅值內(nèi)，即使相對弱小的干擾信號電流無法改變有用信號電流的存在與否，可有效地抑制干擾，提高信息傳輸?shù)目煽啃?，增加?shù)據(jù)的傳輸距離。

　　本文采用第二種方案對并行數(shù)據(jù)接口部分進行改進。在原有電路中引入光電隔離器TLP523-4。使兩邊設(shè)備電氣隔離。TLP523-4是東芝公司的一款具有完整基極一發(fā)射極的性能優(yōu)良的固定延時光電耦合器件，具有高轉(zhuǎn)換速率、高溫等特性。該器件主要特性如下：電流轉(zhuǎn)換率：500％：隔離電壓：2500Vrms(min)；發(fā)射-接收電壓：55 V(min)；泄漏電流：10μA(max)(Ta=85℃)。

　　改進后的并行數(shù)據(jù)接口原理圖(接收部分)如圖2所示。同理，驅(qū)動電路中的74HC245由54LS-244替代，并由74LS01和54LS04協(xié)助完成邏輯功能。發(fā)送設(shè)備部分也做同樣改進。在原有設(shè)計電路中，正是因為地線的交流阻抗特性，使得地線成了電路中最大的噪聲源。造成地線干擾是由于地線中存在阻抗，當電流流過地線時，產(chǎn)生電壓，造成地線噪聲。在地線噪聲的驅(qū)動下，產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備共用一段地線。因此會形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP2523-4對發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備進行電氣隔離，大大減小了交流阻抗，從而增大傳輸電流，有效抑制地線噪聲。同時由于采用了54LS244，總線驅(qū)動能力得到了保障。傳輸中使用帶雙絞線結(jié)構(gòu)的扁平電纜，這種電纜對靜電干擾和空間電磁干擾也能起到非常好的抑制作用。

4 結(jié)束語

　　實驗證明，改進后的設(shè)計電路，總線驅(qū)動能力增強，干擾和畸變得到明顯改善。電氣隔離電纜兩側(cè)電路是抑制干擾的理想辦法，明顯提高了傳輸?shù)臏蚀_性。但因為光耦合器是單向傳輸器件，最終隔離的結(jié)果是全雙工信道，而并行全雙工信道的長線傳輸方案因技術(shù)、器件、線路成本等因素而很少在工程上應(yīng)用。因此，要求長距離數(shù)據(jù)通信或高數(shù)據(jù)傳輸速度時，基于電纜特性及上述傳輸方式的局限性，需采用其他適合的數(shù)據(jù)通信方式。