單片機(jī)雙向并行接口總線的長線傳輸技術(shù)

一、 引言?

單片機(jī)并口通信技術(shù)具有高速、數(shù)據(jù)量大、通信協(xié)議簡單或無需通信協(xié)議等固有優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用雙向雙工并行傳輸方式時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換則要求兩套發(fā)送、接收設(shè)備和線路，將導(dǎo)致器件、線路成本顯著上升，這在工程實(shí)踐中極少應(yīng)用；而采用雙向并口總線進(jìn)行半雙工數(shù)據(jù)交換時(shí)，由于雙向總線信號為單端信號，抗干擾能力較差，對單片機(jī)系統(tǒng)之間的互連距離有嚴(yán)格的限制，通常只應(yīng)用于機(jī)箱內(nèi)的互連。尋找側(cè)重于廉價(jià)連接方案、能滿足機(jī)箱外一定互連距離要求的單片機(jī)雙向并行接口總線的長線傳輸技術(shù)是每一個(gè)電路設(shè)計(jì)工程師都十分關(guān)心的課題。因?yàn)閱蜗虻目刂瓶偩€信號較容易通過差動長線驅(qū)動器/接收器或集電極開路（OC）門驅(qū)動等方案實(shí)現(xiàn)長線傳輸，所以本文主要關(guān)注于雙向的并行地址/數(shù)據(jù)總線的長線傳輸問題。?

影響單片機(jī)雙向總線長線傳輸可靠性的因素主要有傳輸線效應(yīng)、總線驅(qū)動能力和電磁干擾（EMI），它們均可簡單歸結(jié)為信號完整性問題。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，雖然針對上述每一個(gè)因素的改善措施總會起到一定效果，但并不是，也從來不是上述哪一個(gè)因素單獨(dú)突出而起到主導(dǎo)作用。因此，所有的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)方法都值得認(rèn)真考慮并加以積極利用。?

二、傳輸線效應(yīng)及其解決方案?

按照電路分析的原理，當(dāng)導(dǎo)線長度接近傳輸?shù)牟ㄩL時(shí)，不能再視為一條普通的導(dǎo)線，而應(yīng)視為長線，需用傳輸線的理論去分析。在接口技術(shù)中，當(dāng)總線長度和波長可比擬時(shí)，也須把它視作長線，考慮作為傳輸線帶來的影響，即所謂傳輸線效應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)證明：時(shí)鐘頻率為1～10 MHz時(shí)，在單板內(nèi)的總線傳輸效應(yīng)可不計(jì)，但板與板、箱與箱之間的傳輸線效應(yīng)必須考慮；當(dāng)時(shí)鐘頻率為50～100 MHz時(shí)，單板內(nèi)的總線設(shè)計(jì)也需考慮傳輸線效應(yīng)。?

傳輸線定義為所有導(dǎo)體及其接地回路的總和。當(dāng)傳輸線長度超過最大匹配線長度Lmax時(shí)，稱為長線。最大匹配線長度Lmax可由式(1)計(jì)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）×１０?８　ｍ／ｓ；?
        k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，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(shù)值：?

還應(yīng)指出，當(dāng)負(fù)載變重，傳輸時(shí)間延長時(shí)，最大匹配線的長度需相應(yīng)縮短。傳輸線效應(yīng)對信號完整性的影響主要表現(xiàn)為：線路阻抗與外接負(fù)載不匹配導(dǎo)致的信號反射現(xiàn)象，電路的阻抗會使信號達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度。關(guān)于傳輸線理論的詳細(xì)知識有許多論文、著作可供讀者參考，這里只介紹幾個(gè)與工程實(shí)際密切相關(guān)的傳輸線參數(shù)。?

1. 傳輸線特性阻抗Z0?

傳輸線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是單位長度傳輸線的分布電感和分布電容，它們與導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)磁率及介電常數(shù)有關(guān)。因此，對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中傳輸信號的各類導(dǎo)線，其特性阻抗均不同，參考值如表2所示。?

2. 延遲時(shí)間?

由傳輸線效應(yīng)引起的信號延遲時(shí)間：

式中x為傳輸線的長度。由此可知，導(dǎo)線單位長度內(nèi)的電感量、電容量越大，導(dǎo)線長度越長，則延遲時(shí)間也越長。?

3. 反射系數(shù)?

信號按一定的速度在傳輸線路中傳輸，當(dāng)輸入電壓經(jīng)分布電感、電容一直傳輸?shù)絺鬏斁€終端時(shí)，此時(shí)一般會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)，由于電流不能發(fā)生突變并有反向感生電動勢，因而引起反射波向源端傳輸。這樣，原來的電波與反射波相互重疊，引起波形失真。設(shè)Vo為入射電壓，VR為反射電壓，則電壓反射系數(shù)：

反射系數(shù)直接影響到信號傳輸?shù)氖д娑取?

從技術(shù)上講，克服傳輸線效應(yīng)主要解決2個(gè)問題：一是阻抗匹配，二是長線驅(qū)動。能實(shí)現(xiàn)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種在雙向接口總線的長線傳輸（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(yīng)滿足下列條件：

實(shí)際應(yīng)用中R1和R2的取值可取大一點(diǎn)，從而減少對發(fā)送端驅(qū)動器的負(fù)載要求。此方案可以做到傳輸線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關(guān)硅管并行端接，條件是二極管的開關(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，這樣就顯著減小了信號的過沖（正尖峰）和下沖（負(fù)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，通過二極管鉗位減小過沖與下沖，不需要進(jìn)行傳輸線的精確阻抗匹配。有時(shí)也可以只端接一個(gè)二極管。?
 

三、總線驅(qū)動能力問題及其解決方案?

與一般單片機(jī)總線擴(kuò)展技術(shù)中考慮的總線驅(qū)動能力問題不同，在用長線電纜實(shí)現(xiàn)總線接口連接時(shí)也會產(chǎn)生總線驅(qū)動能力問題。前者主要考慮的是總線的交、直流負(fù)載能力，從而確定總線上允許掛接的負(fù)載個(gè)數(shù)；后者產(chǎn)生的根本原因是長線電纜本身表現(xiàn)為高容性負(fù)載（分布電感的影響很小，一般不予考慮），在有限電流的驅(qū)動下，信號在電纜一端傳送到另一端時(shí)，就會產(chǎn)生明顯的信號衰減和畸變現(xiàn)象，如圖2所示。所以用長線電纜實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動時(shí)主要考慮的是長線本身作為負(fù)載對總線驅(qū)動能力的要求。?

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，晶體管－晶體管邏輯（TTL）電平的單端信號幾乎很難在一個(gè)輸入/輸出（I/O）周期內(nèi)驅(qū)動1 m以上（甚至更短）的電纜；而且我們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的現(xiàn)象，盡管互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯電平的抗干擾噪聲容限明顯高于TTL電平，但相同電源電壓（5 V）下的高速CMOS（HCMOS）接口器件（主要指緩沖器端）的長線驅(qū)動能力卻明顯地低于TTL接口器件。定性地理解這一現(xiàn)象可解釋為，噪聲容限大的器件往往產(chǎn)生的噪聲也大，CMOS器件屬于容性負(fù)載，每個(gè)引腳有大約10 pF的輸入電容，輸入阻抗極高，對長線電纜的阻抗不匹配導(dǎo)致的反射現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，故抗干擾能力比TTL器件差許多。器件抗干擾能力通常與輸入阻抗有關(guān)，輸入阻抗越低，抗干擾能力越強(qiáng)。?

在通常的總線接口驅(qū)動器/緩沖器方案中，例如使用74245芯片作驅(qū)動器/緩沖器，要提高長線電纜連接時(shí)的總線驅(qū)動能力，解決辦法主要有2種，一是適當(dāng)降低傳輸速率，二是在總線兩端加上拉電阻。前者是為了避開容性負(fù)載對脈沖前沿的平滑作用和反射波的干擾，這是一個(gè)暫態(tài)過程；后者是為了提高信號高電平，也起到降低輸入阻抗、減小反射波干擾的作用。筆者曾經(jīng)想利用這種方案在一個(gè)I/O周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)2 m長電纜的雙向并口通信，但失敗了。正如前面強(qiáng)調(diào)指出的那樣，失敗原因當(dāng)然并不僅僅是總線驅(qū)動能力問題。成功的實(shí)踐是使用OC門作驅(qū)動器。OC門具有很強(qiáng)的總線驅(qū)動能力，它允許輸出端直接相連實(shí)現(xiàn)“線與”功能。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何把單向驅(qū)動改造為雙向驅(qū)動，圖3給出了具體電路方案。?

其工作原理為：數(shù)據(jù)寫出時(shí)由地址譯碼電路的片選信號選通74373鎖存器，再由OC門7405驅(qū)動至遠(yuǎn)端緩沖器74244；數(shù)據(jù)讀入時(shí)先向74373輸出邏輯“0”，使已方OC門置于邏輯高狀態(tài)，正確實(shí)現(xiàn)“線與”功能，再由地址譯碼選通74244讀數(shù)。?

圖3的方案具有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)啟發(fā)性，稍加改造就可以適應(yīng)許多要求高速、大容量雙向通信的場合。比如在74LS244側(cè)增加或干脆換成先進(jìn)先出（FIFO）器件，就可以支持高速、大容量的成塊數(shù)據(jù)交換。?

四、電磁干擾及其解決方案?

使用單端信號進(jìn)行長線電纜傳輸時(shí)，有2種電磁干擾是不能忽視的：線間竄擾和地線噪聲。線間竄擾是當(dāng)2條或多條較長的的導(dǎo)線相平行而又靠得很近時(shí)，其中一條導(dǎo)線上的信號將對其它導(dǎo)線產(chǎn)生干擾。線間竄擾是一種近場（即距離干擾源小于的場，其中λ為電磁波長）耦合干擾，受擾線上的影響來源于傳輸線間的分布電容和分布電感引起的電磁耦合。線間竄擾大多發(fā)生在多芯電纜、束捆導(dǎo)線或印制板上的平行導(dǎo)線之間，竄擾強(qiáng)度與相鄰兩信號線間互阻抗和信號線本身的特性阻抗有關(guān)，并與線間距成反比，與線平行長度成正比。對線間竄擾的抑制，一般采用一些常規(guī)而有效的方法。當(dāng)用扁平電纜作連接電纜時(shí)，在相鄰信號線之間插入地線，可把導(dǎo)線間的耦合電容轉(zhuǎn)化為對地電容；如果竄擾比較嚴(yán)重，還可以使用帶雙絞線結(jié)構(gòu)的扁平電纜，這種電纜對抑制靜電干擾和空間電磁干擾也有效果；也可以考慮采用多股雙絞線結(jié)構(gòu)的屏蔽電纜。?

地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時(shí)，會在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)2個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會形成公共阻抗耦合。增加地線的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限；減小交流阻抗，一個(gè)有效的辦法是多根地線并聯(lián)。當(dāng)2根導(dǎo)線并聯(lián)時(shí)，其總電感：
??L=(L1+M)/2      (7)??
    式中L1是單根導(dǎo)線的電感；?
    M是兩根導(dǎo)線之間的互感。?
    正是因?yàn)榈鼐€的交流阻抗特性，使得地線成了電路中事實(shí)上的最大噪聲源。單端信號的傳輸長度最終受限于地線長度。抑制地線噪聲的最理想的辦法是對電纜兩側(cè)的電路進(jìn)行電氣隔離。參考文獻(xiàn)［２］給出了一種利用高速光耦6N137對MCS－51系列單片機(jī)的系統(tǒng)總線進(jìn)行雙向高速隔離的很新穎的方案。但筆者認(rèn)為這種隔離方案對以雙向并行通信為目的應(yīng)用來說，已基本失去實(shí)用價(jià)值。因?yàn)楣怦钍菃蜗騻鬏斊骷罱K隔離的結(jié)果將是全雙工信道，而并行全雙工信道的長線傳輸方案因技術(shù)、器件、線路成本上升很多而在工程上很少應(yīng)用。所以，對TTL電平的單端信號的雙向傳輸來說，必須嚴(yán)格限制電纜長度，一般不能超過5 m。?

五、 結(jié)束語?

雙機(jī)并行通信技術(shù)普遍應(yīng)用于短距、高速、大容量通信場合，但其高速性能受通信距離的影響很大，以更多的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并行通信長線傳輸?shù)目煽啃院透咝栽诮?jīng)濟(jì)上是得不償失的。本文針對單片機(jī)系統(tǒng)之間的雙向并行總線的長線傳輸問題進(jìn)行了一些分析和討論，并給出了幾種廉價(jià)的解決方案。一般說來，對2 m長的并行通信電纜，數(shù)據(jù)傳輸率是完全可以達(dá)到500 kbit/s～1 Mbit/s。遵循器件解決的原則，也可以考慮采用并行接口標(biāo)準(zhǔn)器件，如IEEE－1284并行接口標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)接口器件已集成了端接元件并對連接器、電纜有嚴(yán)格的電氣要求。但即使這樣，在2 m長的電纜上也很難達(dá)到2 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。?

參考文獻(xiàn)?
［１］邵時(shí)，張汝杰.高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中信號可靠傳輸技術(shù)［Ｊ］.微型機(jī)與應(yīng)用，1998，（12）.?
［２］劉大健，陳降道.單片機(jī)系統(tǒng)總線級的光電隔離［Ｊ］.微型機(jī)與應(yīng)用，
1998，（6）.?
［３］張松春，竺子芳，趙秀芬，蔣春寶.電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用（第2版）［Ｍ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.?
［４］王幸之，王雷，翟成等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［Ｍ］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999