惡劣環(huán)境下隔離型串行通訊接口的應(yīng)用

摘要：文章介紹一種隔離供電專用器件MAX253，闡明了隔離供電技術(shù)應(yīng)用的原因、原理。并結(jié)合惡劣環(huán)境下串行通信接口RS-485的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了隔離型數(shù)據(jù)接口在抗惡劣環(huán)境下的應(yīng)用原理及實(shí)用技巧。
關(guān)鍵詞：隔離供電；串行通信接口；隔離型數(shù)據(jù)接口

0 概述
    眾所周知，在惡劣環(huán)境下，且對通信質(zhì)量的要求較高時(shí)，為確保信息在通信過程中的質(zhì)量，降低誤碼率，人們通常都要采用隔離技術(shù)。這種隔離不僅包括通信線路隔離，而且還包括供電系統(tǒng)的隔離。這里僅就解決供電系統(tǒng)的隔離機(jī)理和方法進(jìn)行探討。
    所謂供電系統(tǒng)的隔離就是將來自供電系統(tǒng)的干擾排除或消化在輸入電路之前(如可以將其轉(zhuǎn)變成電流信號，然后轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉)，從而達(dá)到保證通信信息質(zhì)量的目的。
    電源本身的通／斷、電壓波動、強(qiáng)的環(huán)境噪聲等都會形成供電系統(tǒng)的干擾，其形式表現(xiàn)為在線脈沖。試驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)峰值為30A的ESD(靜電放電)脈沖在地線上會產(chǎn)生幾十毫伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時(shí)間(30A／ns)可以在同樣的線路上(假設(shè)線電感為1nH／cm)產(chǎn)生高達(dá)幾百伏的感應(yīng)電壓，這足以導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如此高的頻率將產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使線電阻顯著增加。為了抵消這種效應(yīng)，需要采用大面積接地以獲得低阻特性。此外，快速上升脈沖將產(chǎn)生FTB(快速瞬變)和ESD干擾，通過電容耦合到低噪聲區(qū)域。在解決這個(gè)問題時(shí)，經(jīng)常有人錯(cuò)誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來提供一個(gè)隔離的電源，這種方法只能導(dǎo)致干擾進(jìn)一步擴(kuò)散，使整個(gè)電路受到影響。
    由于信號電路無法承受千伏級電壓，這種干擾可以被地回路電流引入接口并流過整個(gè)電路，一般需要電流隔離。在連接線較長或地回路電流較大的上業(yè)系統(tǒng)中，隔離是一種行之有效的辦法。
    專用隔離供電芯片MAX253與串行通信接口RS485配套使用，可為RS485隔離數(shù)據(jù)通信接口提供良好的隔離電源，使其工作更加穩(wěn)定可靠。

1 隔離供電專用器件MAX253簡介
    MAX253是一種集振蕩器／電源一驅(qū)動器于一體的單片集成開關(guān)電源器件。其內(nèi)部主要由一個(gè)CMOS震蕩器與一個(gè)N溝道功率開關(guān)管組成，振蕩器具有可供選擇的兩個(gè)振蕩頻率以便提供兩種不同的供電電流，振蕩器再驅(qū)動觸發(fā)器產(chǎn)生占空比50％的方波加到功率開關(guān)管，使兩個(gè)開關(guān)管交替工作，并且由于存在內(nèi)部延遲而使一個(gè)功率開關(guān)管關(guān)斷前另一個(gè)功率開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通。它的輸出端連接具有中心抽頭的變壓器原邊，該抽頭連接+5V或+3．3V電源，變壓器的副邊即可提供所需的隔離電源，功率可達(dá)1瓦的5V電壓，或者0．6瓦的3．3V電壓。MAX253的工作原理如圖1，芯片引腳封裝定義如圖2所示。

    芯片MAX253的每個(gè)引腳信號具體邏輯功能見表1。

     MAX253采用驅(qū)動器構(gòu)成前向電壓轉(zhuǎn)換器，提供隔離電壓，封裝尺寸小，可提供有效的噪聲屏障。微型變壓器要求耦合電容低于10pF、功率1瓦、隔離電壓為1kV。它構(gòu)成了一種低成本的解決供電系統(tǒng)的隔離方案。

2 串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485簡介
    串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)在軍品和民品有著廣泛的應(yīng)用，典型的有RS-232、RS-422、RS-485等。其中RS-485標(biāo)準(zhǔn)是RS-422標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)版本，由于技術(shù)更加先進(jìn)，其應(yīng)用將更加廣泛。
    RS-485使用單一的+5V或+3V的電源，具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)，其邏輯電平可與傳統(tǒng)的TTL電平兼容。它對傳輸介質(zhì)物理層無嚴(yán)格要求，僅需將普通雙絞線捆綁在一起即可簡便組網(wǎng)。除點(diǎn)對點(diǎn)、廣播通信方式外，RS-485還具有多點(diǎn)通信方式。在多點(diǎn)通信方式中，通常使用一個(gè)設(shè)備作為主站，其余為從站，當(dāng)主站發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，在數(shù)據(jù)串中嵌入從站固有的ID識別碼，從而實(shí)現(xiàn)主站與任一從站之間的數(shù)據(jù)通信。如果不帶從站識別碼則可面向所有從站實(shí)現(xiàn)廣播通信。
     MAX481E是RS-485的標(biāo)準(zhǔn)接口器件，使用單一+5V供電，內(nèi)含一個(gè)發(fā)送器與一個(gè)接收器。芯片每個(gè)引腳信號具體邏輯功能見表2。

    用MAX481E組網(wǎng)通信時(shí)，只需通過雙絞線將各節(jié)點(diǎn)的同名端捆綁在一起，或按總線型結(jié)構(gòu)并連接到沿途的雙絞線主總線上，需在線路的兩端各接一個(gè)120Ω的終端匹配電阻。器件本身有溫敏控制電路構(gòu)成的短路電流保護(hù)與過壓保護(hù)，在這兩種過載情況下，驅(qū)動器將處于高阻態(tài)，接收器的輸出保持為高電位。

3 隔離型數(shù)據(jù)接口
    圖3是我們在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用的一種典型的隔離型RS-485數(shù)據(jù)接口電路。下面就其工作機(jī)理和使用技巧做進(jìn)一步介紹。

    MAX667是一個(gè)穩(wěn)壓模塊，即低阻輸出的線性調(diào)壓器，它將MAX253輸出的電壓穩(wěn)定在+5V，使之成為一個(gè)恒壓源。通過變壓器與光耦的隔離和耦合作用，使得左右兩側(cè)的電源電路沒有任何電氣連接點(diǎn)，因而能承受有效值高達(dá)1800V的高壓沖擊。
這種設(shè)計(jì)適用于高壓、地電位差大、噪聲大的惡劣環(huán)境下使用。因此，對電路中所用的變壓器和光耦有嚴(yán)格的技術(shù)要求。
    為保障可靠的隔離，其虛線所指示的“隔離屏障”是不能破壞的，某一側(cè)的元件、連接點(diǎn)或連接線不能靠近另一側(cè)的元件、連接點(diǎn)或連接線。
    光耦器件能抑制各種尖脈沖及各種噪音等的干擾，從而在傳輸信息中大大提高信噪比。它的輸入阻抗都很低，而干擾源的內(nèi)阻一般都比較大，因此能饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就比較小。雖然干擾源也能供給較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能產(chǎn)生微弱的電流，因此即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使LED發(fā)光，從而也會被抑制掉。它的輸出是高阻抗的，因此布局時(shí)應(yīng)盡量靠近接口芯片，即盡量縮短光耦輸出腳與接口芯片引腳之間的連線，使得分布電容盡量小而有利于提高傳輸率。
    圖中所用的光耦是限制接口通信速率的主要因素，必須選用高速器件。接口速率的上限取決于器件本身的技術(shù)參數(shù)，單個(gè)通道的通常為10MB／s(光耦6N137)或1MB／s(光耦6N135)等。若用廉價(jià)的4N系列非線性光耦取代高價(jià)的6N137元件，其數(shù)據(jù)傳輸率也可達(dá)到9．6kb／s。
    圖中的電源實(shí)質(zhì)上都是一個(gè)DC-DC變換器，輸出波紋較大，如果在MAX253的輸出端增加兩個(gè)元件組成一個(gè)簡單的LC低通濾波器，則輸出波紋噪聲峰值可以減少到大約只有10mV。
    圖中的串行通信接口MAX481采用差分平衡方式傳送數(shù)據(jù)，對共模信號有很好的抑制作用。理論上講，A、B兩條線對地而言應(yīng)該是完全對稱的，但是我們在實(shí)際調(diào)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸速度不高或傳輸距離不遠(yuǎn)時(shí)，完全可以省掉地線，采用一對普通的雙絞線即可獲得滿意的效果。當(dāng)周圍環(huán)境比較惡劣，傳輸速度很高或傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)使用帶屏蔽的雙絞線電纜，屏蔽線作為地線，且在主站一端應(yīng)可靠接入大地，另一端則懸空。
    如果電纜兩端都接地，通常兩個(gè)地的“地電位”不可能完全相同，如果兩個(gè)地存在較大的“地電位差”，那么在屏蔽線中會形成電流而產(chǎn)生干擾。因此，另一端需要懸空。
    另一種解決方法是屏蔽線兩端都不直接接地，但是也不懸空，而是分別通過一個(gè)100 Ω／1W的限流電阻將屏蔽線接各自的公共地，即機(jī)殼地，這樣也可以抑制電流引入的干擾。
    我們知道發(fā)送驅(qū)動器的接收器節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)256個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率可以從幾百kb／s到32Mb／s。由于串行通信接口節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，就需要考慮終端匹配的問題。終端匹配電阻的阻值理論上應(yīng)等于電纜的特性阻抗，這樣才能徹底抑制傳輸線終端形成的反射現(xiàn)象。但在實(shí)際使用過程中，難以達(dá)到完全匹配的效果。
    在調(diào)試使用過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，傳輸線效應(yīng)不明顯時(shí)，不必接終端匹配電阻。接上還可能加重負(fù)載，使信號幅度明顯下降。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率很高時(shí)，為了減小反射，應(yīng)連接終端匹配電阻?？墒褂靡韵路椒ㄟM(jìn)行調(diào)試。
    先連好網(wǎng)絡(luò)并做好通信的準(zhǔn)備，再令主站以實(shí)際使用的波特率連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)55H，此時(shí)用示波器可測得通信線路上的方波，在接收端觀察波形，調(diào)整終端匹配電阻的大小直到獲得最佳波形為止。但有時(shí)會出現(xiàn)波形好，效果卻可能并不理想的情況，這種情況通常是波形幅值偏低造成的；雙絞線之間的波形幅值電壓應(yīng)不小于200mV，否則應(yīng)降低波特率或更換質(zhì)量更好的電纜。按上述方法調(diào)試，就能得到滿意的效果。

4 結(jié)束語
    隔離型數(shù)據(jù)接口電路設(shè)計(jì)保證了惡劣電磁環(huán)境下數(shù)據(jù)通訊的可靠性。它既對供電電路進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，保證了供電的穩(wěn)定性；又對數(shù)據(jù)接口采用了光耦隔離，有效提高了耐沖擊、抗干擾能力。在實(shí)際的使用中電路性能穩(wěn)定可靠，保障了產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中工作正常。