光电设备中并行数据接口的改进方法

1引言

并行接口又称为"并口"，是一种增强型双向并行传输接口。"并口"是指8位数据同时通过并行线传输。这样数据传输速度大大提高，但并行传输线路长度受到限制。"长线"是相对于数据的传输速度而言的。例如，数据传输速率为9 600 b／s时，20 m的电缆即可认为是长线。增加传输线的长度，干扰增加，就容易出错，使信号无法远距离传输。

针对某大型光电项目中并行数据接口问题提出改进方法。由于系统所用线缆较多，信号在长线(约20 m～25 m)中传输时，不仅存在传输延迟，而且会使信号畸变，并引入有害干扰，导致系统无法正常工作。

2原有设计方案及错误分析 原有并行数据接口部分设计方案原理框图如图1所示。上位计算机控制并行接口器件8255A的A口传输数据，B口和C口分别作为地址端口和控制端口。数据信号经由74HC245驱动传送至下位机，数据信号进行双向传输，对8255A的C口编程设置为数据74HC245的使能和传输方向选通信号。地址信号和控制信号为单向传输，同样也采用74HC245作为驱动器。下位机经由双端口存储器IDT7132与上位机通讯，且IDT7132的片选、使能、读写等信号也由8255A的C口编程设置。

由图1可知道，两边设备的传输线路长度均为20 m，信号在长线传输中会出现严重衰变甚至发生畸变。尤其是在多路信号同时驱动时，高电平跳变严重，导致系统无法正常工作。以下对其进行分析。

2.1公共地线

发送与接收设备之间的地电位差对数据传输的准确性有很大影响。该设计中，收发设备间连接一条公共地线。由于发送设备和接收设备使用各自的电源系统，两者电位可能不一致，导致地线信号中有电流产生。由于传输线存在电阻，地线两端产生压降，即地电位差。当发送设备向接收设备发送数据时，接收设备得到的电压信号与没有地电位差时不同。当有用信号的电压较小，而地电位差较大时，接收设备无法得到准确信号，数据传输将无法进行。另一方面，由于发送设备和接收设备间存在公共地线，因此各种干扰极易通过公共地线叠加在信号上，特别是作业现场的电磁干扰通过公共地线能容易导入接收设备，影响数据传输的准确性。

2.2传输线效应

2.2.1最大匹配线长度理论

根据电路分析原理，当导线长度接近于传输波长时，不能再视其为普通导线，而应视为长线，需用传输线理论分析。在接口技术中，当总线长度和波长可比拟时，必须把它视作长线，考虑作为传输线带来的影响，即传输线效应。实验证明：时钟频率为1 MHz～10 MHz时，单板内的总线传输效应可忽略不计，但板与板、箱与箱之间的传输线效应必须考虑；当时钟频率为50 MHz～100 MHz时，单板内的总线设计必须考虑传输线效应。

传输线定义为所有导体及其接地回路的总和。当传输线长度超过最大匹配线长度Lmax时，称为长线。最大匹配线长度Lmax可由式(1)计算：

式中：tr是传输信号的前沿时间，单位为ns；v为电磁波速度，v=(1.4～2)×108m／s；k为经验常数，一般取k=4～5。

该方案中，最大匹配长度远远小于20 m，这就导致线路阻抗与外接负载不匹配，线路的阻抗使信号达不到规定的电压幅值。传输线效应引起信号延迟，传输线长度越长，延迟时间也越长。

2.2.2传输线电容分布

数据的传输实际上是信号的传号和空号传输。而信号由空号变为传号或由传号变为空号时，实际上是对传输线分布电容充电和放电过程，而且充电的上升时间和放电的下降时间不同。当数据传输速度较高时，原本等宽的传号和空号，变得不等，产生畸变，从而引起数据接收错误。

3解决途径及改进措施

目前解决上述问题的途径通常有以下两种方案，实现长线传输。

3.1采用RS-422标准接口电路方式

EIA(Electronic Inductries Association)提出RS-422标准，有效消除了公共地线等影响。其特点是通过传输线驱动器将逻辑电平转换为2 V～6 V的电压信号，经长线传输，再通过传输线接收器将电压信号(最低为200 mV)转换为逻辑电平，实现数据的发送和接收。由于电压信号独立采用两线传输，不经过公共地线，因此，两线对干扰信号应该是对称的。取两线间的电压差作为有用信号，可抵消干扰信号对有用信号的影响，增强电路对干扰信号的抑制能力。

3.2采用光电隔离电流环路接口方式

对传输线进行"隔离"、"浮地"处理是较好的方法。采用光电隔离电路，可省去数据交换的两设备间的公共地线，使两设备电气隔离。同时，在电→光→电信号的转换过程中，就光电耦合器件而言，只要输入端有电流，输出端就能输出相应的数字信号，因此，逻辑电平的信号传递变为固定电流环中是否有电流传递。适当增大电流(低阻传输)，使夹杂在信号中的电气噪声被完全限制在所选择的开关电流幅值内，即使相对弱小的干扰信号电流无法改变有用信号电流的存在与否，可有效地抑制干扰，提高信息传输的可靠性，增加数据的传输距离。

本文采用第二种方案对并行数据接口部分进行改进。在原有电路中引入光电隔离器TLP523-4。使两边设备电气隔离。TLP523-4是东芝公司的一款具有完整基极一发射极的性能优良的固定延时光电耦合器件，具有高转换速率、高温等特性。该器件主要特性如下：电流转换率：500％：隔离电压：2500Vrms(min)；发射-接收电压：55 V(min)；泄漏电流：10μA(max)(Ta=85℃)。

改进后的并行数据接口原理图(接收部分)如图2所示。同理，驱动电路中的74HC245由54LS-244替代，并由74LS01和54LS04协助完成逻辑功能。发送设备部分也做同样改进。在原有设计电路中，正是因为地线的交流阻抗特性，使得地线成了电路中最大的噪声源。造成地线干扰是由于地线中存在阻抗，当电流流过地线时，产生电压，造成地线噪声。在地线噪声的驱动下，产生地线环路电流，形成地环路干扰。由于发送设备和接收设备共用一段地线。因此会形成公共阻抗耦合。采用光电隔离器TLP2523-4对发送设备和接收设备进行电气隔离，大大减小了交流阻抗，从而增大传输电流，有效抑制地线噪声。同时由于采用了54LS244，总线驱动能力得到了保障。传输中使用带双绞线结构的扁平电缆，这种电缆对静电干扰和空间电磁干扰也能起到非常好的抑制作用。

4 结束语

实验证明，改进后的设计电路，总线驱动能力增强，干扰和畸变得到明显改善。电气隔离电缆两侧电路是抑制干扰的理想办法，明显提高了传输的准确性。但因为光耦合器是单向传输器件，最终隔离的结果是全双工信道，而并行全双工信道的长线传输方案因技术、器件、线路成本等因素而很少在工程上应用。因此，要求长距离数据通信或高数据传输速度时，基于电缆特性及上述传输方式的局限性，需采用其他适合的数据通信方式。

作者：宋晓明，刘鑫，陈方斌，江涛(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

来源：《国外电子元器件》