單片機雙向并行接口總線(xiàn)的長(cháng)線(xiàn)傳輸技術(shù)

一、 引言

單片機并口通信技術(shù)具有高速、數據量大、通信協(xié)議簡(jiǎn)單或無(wú)需通信協(xié)議等固有優(yōu)點(diǎn)。當采用雙向雙工并行傳輸方式時(shí)，單片機系統要進(jìn)行數據交換則要求兩套發(fā)送、接收設備和線(xiàn)路，將導致器件、線(xiàn)路成本顯著(zhù)上升，這在工程實(shí)踐中極少應用；而采用雙向并口總線(xiàn)進(jìn)行半雙工數據交換時(shí)，由于雙向總線(xiàn)信號為單端信號，抗干擾能力較差，對單片機系統之間的互連距離有嚴格的限制，通常只應用于機箱內的互連。尋找側重于廉價(jià)連接方案、能滿(mǎn)足機箱外一定互連距離要求的單片機雙向并行接口總線(xiàn)的長(cháng)線(xiàn)傳輸技術(shù)是每一個(gè)電路設計工程師都十分關(guān)心的課題。因為單向的控制總線(xiàn)信號較容易通過(guò)差動(dòng)長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)器/接收器或集電極開(kāi)路（OC）門(mén)驅動(dòng)等方案實(shí)現長(cháng)線(xiàn)傳輸，所以本文主要關(guān)注于雙向的并行地址/數據總線(xiàn)的長(cháng)線(xiàn)傳輸問(wèn)題。

影響單片機雙向總線(xiàn)長(cháng)線(xiàn)傳輸可靠性的因素主要有傳輸線(xiàn)效應、總線(xiàn)驅動(dòng)能力和電磁干擾（EMI），它們均可簡(jiǎn)單歸結為信號完整性問(wèn)題。需要強調指出的是，雖然針對上述每一個(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)因素單獨突出而起到主導作用。因此，所有的電磁兼容性（EMC）設計方法都值得認真考慮并加以積極利用。

二、傳輸線(xiàn)效應及其解決方案

按照電路分析的原理，當導線(xiàn)長(cháng)度接近傳輸的波長(cháng)時(shí)，不能再視為一條普通的導線(xiàn)，而應視為長(cháng)線(xiàn)，需用傳輸線(xiàn)的理論去分析。在接口技術(shù)中，當總線(xiàn)長(cháng)度和波長(cháng)可比擬時(shí)，也須把它視作長(cháng)線(xiàn)，考慮作為傳輸線(xiàn)帶來(lái)的影響，即所謂傳輸線(xiàn)效應。經(jīng)驗證明：時(shí)鐘頻率為1～10 MHz時(shí)，在單板內的總線(xiàn)傳輸效應可不計，但板與板、箱與箱之間的傳輸線(xiàn)效應必須考慮；當時(shí)鐘頻率為50～100 MHz時(shí)，單板內的總線(xiàn)設計也需考慮傳輸線(xiàn)效應。

傳輸線(xiàn)定義為所有導體及其接地回路的總和。當傳輸線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)最大匹配線(xiàn)長(cháng)度Lmax時(shí)，稱(chēng)為長(cháng)線(xiàn)。最大匹配線(xiàn)長(cháng)度Lmax可由式(1)計算：

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

例如，取k=4，v=2×10８m/s，求得如表1所示的幾組數值：

還應指出，當負載變重，傳輸時(shí)間延長(cháng)時(shí)，最大匹配線(xiàn)的長(cháng)度需相應縮短。傳輸線(xiàn)效應對信號完整性的影響主要表現為：線(xiàn)路阻抗與外接負載不匹配導致的信號反射現象，電路的阻抗會(huì )使信號達不到規定的電壓幅度。關(guān)于傳輸線(xiàn)理論的詳細知識有許多論文、著(zhù)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(xiàn)參數。

1. 傳輸線(xiàn)特性阻抗Z0

傳輸線(xiàn)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(cháng)度傳輸線(xiàn)的分布電感和分布電容，它們與導線(xiàn)的結構、導磁率及介電常數有關(guān)。因此，對于計算機系統中傳輸信號的各類(lèi)導線(xiàn)，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(xiàn)效應引起的信號延遲時(shí)間：

式中x為傳輸線(xiàn)的長(cháng)度。由此可知，導線(xiàn)單位長(cháng)度內的電感量、電容量越大，導線(xiàn)長(cháng)度越長(cháng)，則延遲時(shí)間也越長(cháng)。

3. 反射系數

信號按一定的速度在傳輸線(xiàn)路中傳輸，當輸入電壓經(jīng)分布電感、電容一直傳輸到傳輸線(xiàn)終端時(shí)，此時(shí)一般會(huì )出現阻抗不連續點(diǎn)，由于電流不能發(fā)生突變并有反向感生電動(dòng)勢，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Vo為入射電壓，VR為反射電壓，則電壓反射系數：

反射系數直接影響到信號傳輸的失真度。

從技術(shù)上講，克服傳輸線(xiàn)效應主要解決2個(gè)問(wèn)題：一是阻抗匹配，二是長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)。能實(shí)現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(xiàn)的長(cháng)線(xiàn)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滿(mǎn)足下列條件：

實(shí)際應用中R1和R2的取值可取大一點(diǎn)，從而減少對發(fā)送端驅動(dòng)器的負載要求。此方案可以做到傳輸線(xiàn)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(xiàn)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上升時(shí)間快4倍以上。在傳輸線(xiàn)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）將輸入信號鉗位到GND－Vf和VCC＋Vf之間，這樣就顯著(zhù)減小了信號的過(guò)沖（正尖峰）和下沖（負尖峰）。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(xiàn)的精確阻抗匹配。有時(shí)也可以只端接一個(gè)二極管。