單片機(jī)雙向并行接口總線的長(zhǎng)線傳輸技術(shù)

三、總線驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)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(dòng)能力問(wèn)題不同，在用長(zhǎng)線電纜實(shí)現(xiàn)總線接口連接時(shí)也會(huì)產(chǎn)生總線驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)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(zhǎng)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(dòng)下，信號(hào)在電纜一端傳送到另一端時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的信號(hào)衰減和畸變現(xiàn)象，如圖2所示。所以用長(zhǎng)線電纜實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動(dòng)時(shí)主要考慮的是長(zhǎng)線本身作為負(fù)載對(duì)總線驅(qū)動(dòng)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(hào)幾乎很難在一個(gè)輸入/輸出（I/O）周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)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(duì)長(zhǎng)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(dòng)器/緩沖器方案中，例如使用74245芯片作驅(qū)動(dòng)器/緩沖器，要提高長(zhǎng)線電纜連接時(shí)的總線驅(qū)動(dòng)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(duì)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(guò)程；后者是為了提高信號(hào)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(zhǎng)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(dòng)能力問(wèn)題。成功的實(shí)踐是使用OC門作驅(qū)動(dòng)器。OC門具有很強(qiáng)的總線驅(qū)動(dòng)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(dòng)改造為雙向驅(qū)動(dòng)，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(hào)選通74373鎖存器，再由OC門7405驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(hào)進(jìn)行長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)將對(duì)其它導(dǎo)線產(chǎn)生干擾。線間竄擾是一種近場(chǎng)（即距離干擾源小于的場(chǎng)，其中λ為電磁波長(zhǎng)）耦合干擾，受擾線上的影響來(lái)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(hào)線間互阻抗和信號(hào)線本身的特性阻抗有關(guān)，并與線間距成反比，與線平行長(zhǎng)度成正比。對(duì)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(hào)線之間插入地線，可把導(dǎo)線間的耦合電容轉(zhuǎn)化為對(duì)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(duì)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(guò)地線時(shí)，會(huì)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(dòng)下，會(huì)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(huì)形成公共阻抗耦合。增加地線的直徑對(duì)于減小直流電阻是十分有效的，但對(duì)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：
ИL=(L1+M)/2 (7)И
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(hào)的傳輸長(zhǎng)度最終受限于地線長(zhǎng)度。抑制地線噪聲的最理想的辦法是對(duì)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(duì)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(duì)以雙向并行通信為目的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(duì)TTL電平的單端信號(hào)的雙向傳輸來(lái)說(shuō)，必須嚴(yán)格限制電纜長(zhǎng)度，一般不能超過(guò)5 m。

五、 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)并行通信長(zhǎng)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(duì)單片機(jī)系統(tǒng)之間的雙向并行總線的長(zhǎng)線傳輸問(wèn)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(shuō)來(lái)，對(duì)2 m長(zhǎng)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(duì)連接器、電纜有嚴(yán)格的電氣要求。但即使這樣，在2 m長(zhǎng)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)
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