基于電流環(huán)電路的遠距離數據傳輸

工業(yè)控制應用中常常涉及到一個非常重要的環(huán)節(jié)——數據或者控制信號的長距離準確傳輸。當今主流數字集成電路芯片往往采用CMOS或者TTL電平作為數據交互的載體，即使對于一般的工業(yè)環(huán)境而言，僅僅依靠這兩種電平信號來傳輸數據都是難以實現整個系統(tǒng)的。RS-232和RS-422/485的引入使真正的工業(yè)控制(特別是惡劣的環(huán)境的控制)變?yōu)榭赡?。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，按照電平噪聲設計容限,RS-232的有效傳輸距離為10 m左右，RS-422/485也能夠在100 m內取得良好的數據傳輸效果。這種電平信號的傳輸距離受物理通道的影響較大，容易受到信道容抗衰減，使傳輸距離受限。若將電平信號轉換為電流信號，以電流作為載體進行數據傳輸，一方面可以增大信號的噪聲容限，另一方面也可以提高信號的抗衰減能力。

1 電流環(huán)電路原理

按照歐姆定律U=IR可知,電平信號與對應的電流信號由回路中的阻抗（容抗/感抗）來決定?？刂破鬏敵龅男盘柟β氏拗屏诵盘柕膫鬏斁嚯x，因而可以通過一個晶體放大器來提升信號的驅動能力，如圖1所示。當Q1基極輸入為0時，Q1截止，集電極沒有電流流過；當Q1的輸入為1時，電流由VCC流經R3、傳輸電纜R2、Q1、R1,最后回到接收端，形成電流回路。在接收端由電壓比較器U1獲取電阻R3上的壓降，從而形成輸出電平信號。由歐姆定律得知:當R3上沒有電流流過時，R3兩端壓降為0，比較器U1的輸出也降為0；當R3上有電流流過時，R3上的壓降為U1形成輸入，從而U1也將輸出高電平[1]。

由圖1可知,數據轉移中的電流I=IQ(IQ為晶體管的集電極電流),同時受到Q1、線路阻抗R2和R3以及電源VCC的影響。一旦選定足使Q1進入飽和狀態(tài)的VCC(主要由線路的直流阻抗決定),則IQ的大小由Q1的基極輸入決定；同時忽略U1的輸入阻抗，則U1的輸入電壓Ud=IQR3。只要恰當地選定R3，數據的傳輸將不受外界噪聲的影響。為防止誤操作，可以設定U1輸入的門限或者調整R3大小，來提高系統(tǒng)可靠性[2]。

在工業(yè)控制中，電氣隔離是保證整個系統(tǒng)可靠運行的重要措施之一，而圖1所示的原理沒有任何隔離，不適合直接在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中應用。
為避免圖1中系統(tǒng)執(zhí)行部分對控制器的干擾，常用光電隔離的方法來抑制系統(tǒng)執(zhí)行部分的電氣噪聲。圖2給出了一種改進后的電流環(huán)電路（方框中表示電路中的數據傳輸的物理通道）[3]，包括兩個方向的數據傳輸電路：發(fā)送數據時，TX端的數據控制U1中的發(fā)光二極管開關，從而控制U2上發(fā)光二極管電流的通斷，最終使數據到達RX1端；同樣的工作原理，接收數據時可由RX端讀取經U4、R4、R5、C3、C1、U3等傳送來的數據。由此，可實現發(fā)送端和接受端電氣的完全隔離，且通過電流的方式實現了數據的遠距離傳輸。同樣，只要保證VCC一定的穩(wěn)定性，高頻噪聲或者電網的波動無法形成傳輸回路的電流，可以降低傳輸物理通道中數據受到干擾的可能性。
從圖2可知，數據的單向傳輸雖然可以取得良好的隔離和抗干擾的效果，但是需要兩根導線來完成。如果距離較遠，這種方式顯得很不經濟。

圖3給出了一種經濟型的電路。當在控制近端發(fā)送數據時,U2中光電管的輸出由TXD輸出來控制，電流流經控制器遠端U1中的發(fā)光二極管；若此時遠端U2作為使能端，則RXD能夠接收到來自控制器近端的信息[4]。同理，RXD可以讀取來自控制器遠端由TXD發(fā)送過來的信息。與圖2所示電路相比，該電路節(jié)約了物理通道，但只能實現半雙工通信。

2 工程使用電路

圖4和圖5示意了工程上遠距離串行通信的使用電路，在圖3電路的基礎上增加了邏輯門、晶體管等器件，增強了驅動能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。其中，RXD為讀取數據端、TXD為發(fā)送數據端、SEL_CH為通道的控制邏輯。在此基礎上可以將多個通道進行并聯，由主控制器通過SEL_CH通道選擇邏輯，以查詢的方式實現與多個終端的通信。

圖6顯示了處理器通過上述電路與5個終端實現串行數據交互的原理。該電路在實際工程上用于對多個終端設備進行數據采集和控制,在通信速率為19.2 kb/s，距離300 m時取得非常穩(wěn)定的效果。

由基本電路理論可知，交流信號傳輸過程中，主要受信道的感抗、容抗影響。在整個數據的物理通道上，相對容抗而言，感抗非常小。故傳輸速率主要受光電耦合器件、晶體管的容抗影響。因此，恰當地選擇這些器件，降低傳輸通道的容抗,有利于提高系統(tǒng)的數據交互速率和穩(wěn)定性。

工程應用結果表明，以電流作為載體來進行工業(yè)控制中的數據交互，具有很強的抗噪聲和電源波動干擾的能力。在物理上采用兩線實現數據交互，降低了對通信電纜的要求，也比差分電平信號傳輸更經濟。圖5所示的電路在工程實踐中用來實現中央控制機與多個終端設備串口數據交互，并取得了成功。該電路并不局限于串口數據的交互，通過略加變換也可以應用到eCan、Spi、I2C等總線中。

參考文獻
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[2] SORENSEN J. Direct-access arrangements are crucial to successful embedded-modem designs[J].Electronic Design, 2001.
[3] 沈國偉，費元春．HART通信協議在現場儀表遠程通信中的實現[J]．今日電子，2003(11)：22-24．
[4] 陽憲惠．現場總線技術及其應用[M]．北京：清華大學出版社，1999．