光電設備中并行數據接口的改進(jìn)方法

1引言

　　并行接口又稱(chēng)為"并口"，是一種增強型雙向并行傳輸接口。"并口"是指8位數據同時(shí)通過(guò)并行線(xiàn)傳輸。這樣數據傳輸速度大大提高，但并行傳輸線(xiàn)路長(cháng)度受到限制。"長(cháng)線(xiàn)"是相對于數據的傳輸速度而言的。例如，數據傳輸速率為9 600 b／s時(shí)，20 m的電纜即可認為是長(cháng)線(xiàn)。增加傳輸線(xiàn)的長(cháng)度，干擾增加，就容易出錯，使信號無(wú)法遠距離傳輸。

　　針對某大型光電項目中并行數據接口問(wèn)題提出改進(jìn)方法。由于系統所用線(xiàn)纜較多，信號在長(cháng)線(xiàn)(約20 m～25 m)中傳輸時(shí)，不僅存在傳輸延遲，而且會(huì )使信號畸變，并引入有害干擾，導致系統無(wú)法正常工作。

2原有設計方案及錯誤分析

　　原有并行數據接口部分設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口傳輸數據，B口和C口分別作為地址端口和控制端口。數據信號經(jīng)由74HC245驅動(dòng)傳送至下位機，數據信號進(jìn)行雙向傳輸，對8255A的C口編程設置為數據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作為驅動(dòng)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(xiě)等信號也由8255A的C口編程設置。

　　由圖1可知道，兩邊設備的傳輸線(xiàn)路長(cháng)度均為20 m，信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中會(huì )出現嚴重衰變甚至發(fā)生畸變。尤其是在多路信號同時(shí)驅動(dòng)時(shí)，高電平跳變嚴重，導致系統無(wú)法正常工作。以下對其進(jìn)行分析。

2.1公共地線(xiàn)

　　發(fā)送與接收設備之間的地電位差對數據傳輸的準確性有很大影響。該設計中，收發(fā)設備間連接一條公共地線(xiàn)。由于發(fā)送設備和接收設備使用各自的電源系統，兩者電位可能不一致，導致地線(xiàn)信號中有電流產(chǎn)生。由于傳輸線(xiàn)存在電阻，地線(xiàn)兩端產(chǎn)生壓降，即地電位差。當發(fā)送設備向接收設備發(fā)送數據時(shí)，接收設備得到的電壓信號與沒(méi)有地電位差時(shí)不同。當有用信號的電壓較小，而地電位差較大時(shí)，接收設備無(wú)法得到準確信號，數據傳輸將無(wú)法進(jìn)行。另一方面，由于發(fā)送設備和接收設備間存在公共地線(xiàn)，因此各種干擾極易通過(guò)公共地線(xiàn)疊加在信號上，特別是作業(yè)現場(chǎng)的電磁干擾通過(guò)公共地線(xiàn)能容易導入接收設備，影響數據傳輸的準確性。

2.2傳輸線(xiàn)效應

2.2.1最大匹配線(xiàn)長(cháng)度理論

　　根據電路分析原理，當導線(xiàn)長(cháng)度接近于傳輸波長(cháng)時(shí)，不能再視其為普通導線(xiàn)，而應視為長(cháng)線(xiàn)，需用傳輸線(xiàn)理論分析。在接口技術(shù)中，當總線(xiàn)長(cháng)度和波長(cháng)可比擬時(shí)，必須把它視作長(cháng)線(xiàn)，考慮作為傳輸線(xiàn)帶來(lái)的影響，即傳輸線(xiàn)效應。實(shí)驗證明：時(shí)鐘頻率為1 MHz～10 MHz時(shí)，單板內的總線(xiàn)傳輸效應可忽略不計，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 MHz～100 MHz時(shí)，單板內的總線(xiàn)設計必須考慮傳輸線(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是傳輸信號的前沿時(shí)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，一般取k=4～5。

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

2.2.2傳輸線(xiàn)電容分布

　　數據的傳輸實(shí)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(shí)，實(shí)際上是對傳輸線(xiàn)分布電容充電和放電過(guò)程，而且充電的上升時(shí)間和放電的下降時(shí)間不同。當數據傳輸速度較高時(shí)，原本等寬的傳號和空號，變得不等，產(chǎn)生畸變，從而引起數據接收錯誤。

3解決途徑及改進(jìn)措施

　　目前解決上述問(wèn)題的途徑通常有以下兩種方案，實(shí)現長(cháng)線(xiàn)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(xiàn)等影響。其特點(diǎn)是通過(guò)傳輸線(xiàn)驅動(dòng)器將邏輯電平轉換為2 V～6 V的電壓信號，經(jīng)長(cháng)線(xiàn)傳輸，再通過(guò)傳輸線(xiàn)接收器將電壓信號(最低為200 mV)轉換為邏輯電平，實(shí)現數據的發(fā)送和接收。由于電壓信號獨立采用兩線(xiàn)傳輸，不經(jīng)過(guò)公共地線(xiàn)，因此，兩線(xiàn)對干擾信號應該是對稱(chēng)的。取兩線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行"隔離"、"浮地"處理是較好的方法。采用光電隔離電路，可省去數據交換的兩設備間的公共地線(xiàn)，使兩設備電氣隔離。同時(shí)，在電→光→電信號的轉換過(guò)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的數字信號，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(kāi)關(guān)電流幅值內，即使相對弱小的干擾信號電流無(wú)法改變有用信號電流的存在與否，可有效地抑制干擾，提高信息傳輸的可靠性，增加數據的傳輸距離。

　　本文采用第二種方案對并行數據接口部分進(jìn)行改進(jìn)。在原有電路中引入光電隔離器TLP523-4。使兩邊設備電氣隔離。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(shí)光電耦合器件，具有高轉換速率、高溫等特性。該器件主要特性如下：電流轉換率：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(jìn)后的并行數據接口原理圖(接收部分)如圖2所示。同理，驅動(dòng)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)送設備部分也做同樣改進(jìn)。在原有設計電路中，正是因為地線(xiàn)的交流阻抗特性，使得地線(xiàn)成了電路中最大的噪聲源。造成地線(xiàn)干擾是由于地線(xiàn)中存在阻抗，當電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生電壓，造成地線(xiàn)噪聲。在地線(xiàn)噪聲的驅動(dòng)下，產(chǎn)生地線(xiàn)環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。由于發(fā)送設備和接收設備共用一段地線(xiàn)。因此會(huì )形成公共阻抗耦合。采用光電隔離器TLP2523-4對發(fā)送設備和接收設備進(jìn)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(xiàn)噪聲。同時(shí)由于采用了54LS244，總線(xiàn)驅動(dòng)能力得到了保障。傳輸中使用帶雙絞線(xiàn)結構的扁平電纜，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 結束語(yǔ)

　　實(shí)驗證明，改進(jìn)后的設計電路，總線(xiàn)驅動(dòng)能力增強，干擾和畸變得到明顯改善。電氣隔離電纜兩側電路是抑制干擾的理想辦法，明顯提高了傳輸的準確性。但因為光耦合器是單向傳輸器件，最終隔離的結果是全雙工信道，而并行全雙工信道的長(cháng)線(xiàn)傳輸方案因技術(shù)、器件、線(xiàn)路成本等因素而很少在工程上應用。因此，要求長(cháng)距離數據通信或高數據傳輸速度時(shí)，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據通信方式。