高可靠性隔離型RS422接口的設(shè)計(jì)方案

摘要：以工控環(huán)境中的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)和實(shí)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(yàn)、幀校驗(yàn)等多種軟硬件措施來提高接口的可靠性。經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證,該方案很好得解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)之間的可靠通信問題。

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)常需要進(jìn)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(duì)于有線通信既可以采用并行數(shù)據(jù)總線方式進(jìn)行，也可以采用串行數(shù)據(jù)總線方式來進(jìn)行，不 同的總線適合不同的應(yīng)用環(huán)境。一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)接口方案的時(shí)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(shí)現(xiàn)接口方案。

在我們開發(fā)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要盡可能將信號(hào)無失真穩(wěn)定可靠得傳 輸?shù)浇尤牍?jié)點(diǎn)。從通信的可靠性考慮我們放棄了布點(diǎn)靈活方便的無線通信方式，選擇了有線 通信。考慮到實(shí)際的應(yīng)用情況，傳感器需要分布在監(jiān)測(cè)范圍的各個(gè)角落，各個(gè)傳感器與接入 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)直接選用模擬 信號(hào)直接傳輸?shù)姆绞�，�?duì)于那些傳輸距離遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)，其信號(hào)衰減會(huì)很嚴(yán)重，信噪比會(huì) 降低很多，同時(shí)傳輸過程中也會(huì)引入干擾，因此傳感器節(jié)點(diǎn)需要將采集到的信號(hào)數(shù)字化，然 后通過數(shù)字接口將信號(hào)發(fā)送出去。由于數(shù)字信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，可以無失真的傳輸，因此信號(hào) 失真只存在傳感器對(duì)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(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)之間的連線數(shù)量會(huì)較串行總線大大增加，會(huì)給布點(diǎn)帶來不便 和增加成本，因此在工程上長距離通信時(shí)一般都采用串行通信。由于分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感 器節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)之間的通信對(duì)傳輸距離有一定要求，對(duì)可靠性要求高，但對(duì)通信速率要求 不高，最后我們選用了實(shí)現(xiàn)簡單、抗干擾性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)的RS422接口。雖然RS422采用的 是差分傳輸方式，抗干擾能力強(qiáng)，但如果只是簡單的采用一般的設(shè)計(jì)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(huì)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(hù)、偵錯(cuò)等措施來提高接口的可靠性。

2 RS422 標(biāo)準(zhǔn)及分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

RS422是一種在工程中廣泛使用的接口標(biāo)準(zhǔn)，它采用差分傳輸方式，也稱為“平衡傳輸”，標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器和 接收驅(qū)動(dòng)器。其中接收驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)平衡線連接端點(diǎn)定義為A和B，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)平衡線 連接端點(diǎn)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(qū)動(dòng)器端Y、Z之間的正電平在+2～+6V，代表正邏輯，負(fù)電平在-6～-2V，代表負(fù)邏輯。在 接收端，當(dāng)A、B之間有大于+200mV 的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV 時(shí)，輸出負(fù)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(dá)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(shè)計(jì)的RS422接口方案主要用于工控環(huán)境中的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要可分為四個(gè)層次結(jié)構(gòu)：服務(wù)器、交換機(jī)、接入節(jié)點(diǎn)、傳感器 節(jié)點(diǎn)。其中傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信號(hào)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和抗混疊濾波，然后通過A/D芯 片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過RS422接口將采集到的數(shù)據(jù)傳送給接入節(jié)點(diǎn)；接入 節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)接收來自服務(wù)器的命令，對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，另一方面將來自于近 端的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給遠(yuǎn)端的服務(wù)器；交換機(jī)主要作用是將 服務(wù)器和各個(gè)接入節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)連接起來；服務(wù)器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲(chǔ)并顯示 結(jié)果以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理。

3 RS422 接口硬件電路設(shè)計(jì)

為保證接口的可靠性，電路設(shè)計(jì)中要考慮到芯片的選擇、接地、阻抗匹配、電氣保護(hù)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(duì)接口的破壞以及有 效隔離各個(gè)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(shè)計(jì)方案可以將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)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(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，可以有效防止浪涌及靜電對(duì)接口的損害。

MAX1490A轉(zhuǎn)換速率可達(dá)5.5Mbps，隔離電壓可以到2500V，可以承受高電壓持續(xù)時(shí)間較長的瞬 態(tài)干擾。同時(shí)MAX1490A是將高頻變壓器、光耦、MAX490等元件集成到一個(gè)IC里面的單芯片， 電路實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。MAX1490 AEPG是MAX1490A系列中的一款工業(yè)級(jí)芯片，使用溫度范 圍較商用級(jí)更廣，為-40°C 到 +85°C。使用MAX1490AEPG設(shè)計(jì)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(cè)的典型應(yīng)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(cè)建議參考值。R1、R2為匹配電阻，可以降低信號(hào) 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(shí)際應(yīng)用中，匹配電阻并不一定需要。由于接收器 是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換速率，有一條經(jīng) 驗(yàn)性的準(zhǔn)則可用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的上升或下 降時(shí)間超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如對(duì)MAX1490A 而言，輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間典型值為15ns，通常雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為 0.2m/ns， 當(dāng)電纜長度不超過１米的時(shí)候可以不用焊接R1、R2。RS422接口的接地是一個(gè)非 常重要的問題，接地處理不當(dāng)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全，沒有一個(gè)合理的 接地系統(tǒng)可能會(huì)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(duì)于接地的 要求更為嚴(yán)格。很多設(shè)計(jì)者認(rèn)為RS422采用差分傳輸，通信鏈路可以不需要信號(hào)地，從而只 是簡單地用一對(duì)雙絞線將對(duì)應(yīng)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(huì)導(dǎo)致EMC和共模干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)兩個(gè)問題。RS422 接 口采用差分方式傳輸信號(hào)，只需檢測(cè)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(qū) 動(dòng)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(dāng)共模電壓 超出此范圍就會(huì)導(dǎo)致接收驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)，甚至有可能損壞接口。另外驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào) 中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如果沒有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的 形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)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(shè)計(jì)PCB布線和覆銅的時(shí)候需要注意將信號(hào)地和隔離地之間保持一定的距離，最好在 芯片下面的PCB導(dǎo)一個(gè)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(hù)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。