高可靠性隔離型RS422接口的設計方案

摘要：以工控環(huán)境中的分布式監(jiān)測系統(tǒng)為應用背景,設計和實現(xiàn)了一種高可靠性隔離型RS422通信接口方案。方案中采用了隔離、防浪涌、阻抗匹配、奇偶校驗、幀校驗等多種軟硬件措施來提高接口的可靠性。經(jīng)環(huán)境試驗和電磁兼容試驗驗證,該方案很好得解決了監(jiān)測系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點和接入節(jié)點之間的可靠通信問題。

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內部經(jīng)常需要進行數(shù)據(jù)通信。通信分無線和有 線兩種方式，由于無線通信的可靠性不及有線通信，因此在工業(yè)環(huán)境中一般選用有線通信。 對于有線通信既可以采用并行數(shù)據(jù)總線方式進行，也可以采用串行數(shù)據(jù)總線方式來進行，不 同的總線適合不同的應用環(huán)境。一般我們在設計接口方案的時候，總是在滿足系統(tǒng)需求的前 提下選擇成熟穩(wěn)定可靠且易于實現(xiàn)接口方案。

在我們開發(fā)的分布式監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點需要盡可能將信號無失真穩(wěn)定可靠得傳 輸?shù)浇尤牍?jié)點。從通信的可靠性考慮我們放棄了布點靈活方便的無線通信方式，選擇了有線 通信。考慮到實際的應用情況，傳感器需要分布在監(jiān)測范圍的各個角落，各個傳感器與接入 節(jié)點直接的通信距離不一，從幾米到上百米均有可能。如果傳感器和接入節(jié)點直接選用模擬 信號直接傳輸?shù)姆绞�，對于那些傳輸距離遠的傳感器節(jié)點，其信號衰減會很嚴重，信噪比會 降低很多，同時傳輸過程中也會引入干擾，因此傳感器節(jié)點需要將采集到的信號數(shù)字化，然 后通過數(shù)字接口將信號發(fā)送出去。由于數(shù)字信號抗干擾性強，可以無失真的傳輸，因此信號 失真只存在傳感器對其數(shù)字化的過程中。有線數(shù)字通信的方式比較多，如果采用并行數(shù)據(jù)總 線，那么傳感器節(jié)點和接入節(jié)點之間的連線數(shù)量會較串行總線大大增加，會給布點帶來不便 和增加成本，因此在工程上長距離通信時一般都采用串行通信。由于分布式監(jiān)測系統(tǒng)中傳感 器節(jié)點和接入節(jié)點之間的通信對傳輸距離有一定要求，對可靠性要求高，但對通信速率要求 不高，最后我們選用了實現(xiàn)簡單、抗干擾性強、通信距離遠的RS422接口。雖然RS422采用的 是差分傳輸方式，抗干擾能力強，但如果只是簡單的采用一般的設計方案，在溫濕度及電磁 環(huán)境十分惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍會出現(xiàn)接口故障甚至損壞，因此有必要從軟硬件上面引入更多 的抗干擾、保護、偵錯等措施來提高接口的可靠性。

2 RS422 標準及分布式監(jiān)測系統(tǒng)介紹

RS422是一種在工程中廣泛使用的接口標準，它采用差分傳輸方式，也稱為“平衡傳輸”，標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”�？梢奟S422定義的是接口電路的電氣特 性，而對數(shù)據(jù)格式?jīng)]有做定義。RS422是全雙工通信，通信的雙方均含有一個發(fā)送驅動器和 接收驅動器。其中接收驅動器的兩個平衡線連接端點定義為A和B，發(fā)送驅動器的兩個平衡線 連接端點定義為Y和Z，一般使用平衡雙絞線將一端的Y和A、Z和B連接起來。通常情況下，發(fā) 送驅動器端Y、Z之間的正電平在+2～+6V，代表正邏輯，負電平在-6～-2V，代表負邏輯。在 接收端，當A、B之間有大于+200mV 的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV 時，輸出負邏 輯電平。RS422最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其中平衡雙 絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kb/s速率下，才能達到最大傳輸距離。只有在很短的 距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線能獲得的最大傳輸速率為1Mb/s。

本文中所設計的RS422接口方案主要用于工控環(huán)境中的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)的結構 示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要可分為四個層次結構：服務器、交換機、接入節(jié)點、傳感器 節(jié)點。其中傳感器節(jié)點負責采集信號，首先對信號進行放大和抗混疊濾波，然后通過A/D芯 片將模擬信號轉換為數(shù)字信號，最后通過RS422接口將采集到的數(shù)據(jù)傳送給接入節(jié)點；接入 節(jié)點一方面負責接收來自服務器的命令，對各個傳感器節(jié)點進行管理，另一方面將來自于近 端的各個傳感器節(jié)點的有效數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給遠端的服務器；交換機主要作用是將 服務器和各個接入節(jié)點通過以太網(wǎng)連接起來；服務器則負責數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲并顯示 結果以及對整個系統(tǒng)的管理。

3 RS422 接口硬件電路設計

為保證接口的可靠性，電路設計中要考慮到芯片的選擇、接地、阻抗匹配、電氣保護等 問題。市面上可供選擇的RS422接口芯片種類很多，為了防止瞬態(tài)高壓對接口的破壞以及有 效隔離各個系統(tǒng)模塊直接的相互干擾，本方案選用的是美信公司的隔離型RS422接口芯片 MAX1490 AEPG。采用隔離的設計方案可以將瞬態(tài)高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于 隔離層的高絕緣電阻不會產生損害性的浪涌電流，可以有效防止浪涌及靜電對接口的損害。

MAX1490A轉換速率可達5.5Mbps，隔離電壓可以到2500V，可以承受高電壓持續(xù)時間較長的瞬 態(tài)干擾。同時MAX1490A是將高頻變壓器、光耦、MAX490等元件集成到一個IC里面的單芯片， 電路實現(xiàn)起來也比較容易。MAX1490 AEPG是MAX1490A系列中的一款工業(yè)級芯片，使用溫度范 圍較商用級更廣，為-40°C 到 +85°C。使用MAX1490AEPG設計的電路原理圖如圖2：

圖2 MAX1490A 硬件電路圖

此原理圖參考了MAX1490A的數(shù)據(jù)手冊的典型應用電路圖。其中接口電路采用5V供電，C1、 C2是去耦電容，R3、R5、R6、R8取數(shù)據(jù)手冊建議參考值。R1、R2為匹配電阻，可以降低信號 反射。R1、R2的取值取決于采用的傳輸數(shù)據(jù)線的阻抗，通常數(shù)雙絞線特性阻抗大約在100 至 120 之間，所以R1、R2通常取120歐姆。實際應用中，匹配電阻并不一定需要。由于接收器 是在每個數(shù)據(jù)位的中點采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低就可以不考慮 匹配。具體而言R1、R2是否需要取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及信號轉換速率，有一條經(jīng) 驗性的準則可用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時需要進行匹配：當信號的上升或下 降時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如對MAX1490A 而言，輸出信號的上升或下降時間典型值為15ns，通常雙絞線上的信號傳輸速率約為 0.2m/ns， 當電纜長度不超過１米的時候可以不用焊接R1、R2。RS422接口的接地是一個非 常重要的問題，接地處理不當經(jīng)常會導致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全，沒有一個合理的 接地系統(tǒng)可能會使系統(tǒng)的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下對于接地的 要求更為嚴格。很多設計者認為RS422采用差分傳輸，通信鏈路可以不需要信號地，從而只 是簡單地用一對雙絞線將對應數(shù)據(jù)端口連接起來。這種接線方法在一般情況下也可以工作， 但給系統(tǒng)埋下了極大的隱患，主要會導致EMC和共模干擾導致數(shù)據(jù)出錯兩個問題。RS422 接 口采用差分方式傳輸信號，只需檢測兩線之間的電位差就可以判斷數(shù)據(jù)值，但前提是收發(fā)驅 動器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V 至+12V ）的條件下才能正常工作，當共模電壓 超出此范圍就會導致接收驅動器接收數(shù)據(jù)出錯，甚至有可能損壞接口。另外驅動器輸出信號 中的共模部分需要一個返回通路，如果沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的 形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波，同樣傳輸線也很容易受到 外界的電磁干擾。因此圖2中的RS422接口的隔離地線需要通過傳輸線纜的屏蔽層連接起來， 另外在設計PCB布線和覆銅的時候需要注意將信號地和隔離地之間保持一定的距離，最好在 芯片下面的PCB導一個長方形的槽，這樣可以有效防止爬電，以保證MAX1490A的2500V隔離效 果。穩(wěn)壓管D1～D8的作用是把數(shù)據(jù)傳輸線的電壓牢牢限制在-7V至+12V，以有效保護RS422 接口。增加D9和D10的目的主要是為了防止浪涌電壓損壞接口。