RS-232串行通信消除干擾噪聲的設(shè)計方法

1通信線路的絕緣設(shè)計方法

　　RS-232的大噪聲（干擾）容限可使接口可靠工作，避免對由外部加到導(dǎo)線上的噪聲引起的數(shù)據(jù)錯誤。在一個充滿了電子噪聲的連接環(huán)境中，絕緣可以防止噪聲在連接電路之間的耦合。絕緣通過將一個電路分成一個個獨立的塊來進行工作。這些塊使用光和磁耦合來傳送能量和數(shù)據(jù)，而過濾掉大部分的噪聲。

　　絕緣可以隔開地線、數(shù)據(jù)連接，或者把兩者都隔開。地線絕緣使得一個電路對電源震蕩和在被附近電路共用的地線中的噪聲有免疫能力。在長的連接中，地線絕緣還使得連接對從一端到另一端的接地電位差異有免疫能力。絕緣數(shù)據(jù)連接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。

　　大多數(shù)的電路連接使用直接的辦法，例如焊點或者諸如螺母接線端或壓接這樣的機械連接。利用電鍍絕緣，一個電路的地線和信號線與其他電路沒有電阻通道，或者直接的接觸。相反，電路可以使用光或者磁耦合來傳輸能量和信號。絕緣還使得每個電路對另一個電路中的噪聲具有免疫能力。

　　實現(xiàn)電鍍絕緣的一般方法包括使用變壓器來絕緣電源和使用光隔離器來隔離數(shù)據(jù)。在一個變壓器中，在線圈繞組之間的磁耦合使得主線圈中的電流在次線圈中產(chǎn)生電流。光隔離器通過光敏電阻以及釋放和探測可見或者紅外波段中的能量的光敏二極管的方式來傳輸能量。以類似的方式，一個光纖——光學(xué)接口將二個電信號轉(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，并且在接收器中將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

　　為了進行完全的絕緣，RS-232連接的每一端需要一個RS-232接口使用的一個絕緣的電源，以及一個絕緣的接口，用來穿過絕緣屏障傳輸信號。在RS-232連接中，SG是信號地。因為RS-232接收器讀取的是信號線和SG之間的電壓，一個SG上的噪聲脈沖就能導(dǎo)致接收器誤讀一個邏輯電平。

　　在數(shù)字邏輯中，+5 V是對信號地以上5 V電壓的一個簡單說法。當一個電路使用不只一個電源的時候，即使電源的接地線沒有相互絕緣，使接地通路保持獨立，減少了從一個通路耦合到另一個通路的噪聲。每個電源的接地線可以使用獨立的電線和電路板，只要在電源處連接到一起。

　　含有模擬和數(shù)字電路的電路可以為每一種電路提供獨立的接地線，只在一個電源附近的點，連接這兩條通路。數(shù)字地線往往是有噪聲的，因為數(shù)字輸出在它們切換的時候產(chǎn)生了大電流，因此將它們和模擬電路分開就比較合理，這些模擬電路可能對微小的電壓變化比較敏感。

1.1安全地線

　　安全地線，或者保護地線，是1個大地地線連接，它通常是一個直徑很大的部分埋在地下的銅導(dǎo)線或者鍍銅管。1個電源插座上的3根導(dǎo)線中的1根就和安全地線相連，這個插座的另兩根導(dǎo)線是帶有220 V交流電壓的火線和1根零線，帶有220 V交流電的返回電流，零線連接到安全地線。這意味著所有建筑的電路零線通常在入口處有一個與建筑的連接。

　　安全地線在出現(xiàn)故障的情況下提供了一個對地的低阻抗通路。例如，在很多電源中，有1個端點將安全地線和電源的底盤相連。如果底盤沒有接地并且1根松散的導(dǎo)線或者元件故障導(dǎo)致1個電壓源和底盤相接觸，這個底盤就可能攜帶高電壓。如果底盤接地了，電流就會沿著這個低阻抗通路流向大地直到保險絲熔斷，電路斷開。

　　TIA／EIA—232標準中，有一個DCE可以有1個可移動的跨接來連接SG和安全地線。實際上，DCE和DTE上的SG線經(jīng)常和一個安全地線相連。

1.2大地地線

　　一個安全地線是一個大地地線。因為任何電氣電路可以連接到大地地線，所以它往往不是一個安靜的、穩(wěn)定的參考，相反它可以攜帶大量的各種類型的噪聲。可以產(chǎn)生接地噪聲的因素包括設(shè)備開關(guān)切換、電源系統(tǒng)波動、電路故障、雷擊或者任何引起電流波動的事件。噪聲可以表現(xiàn)為傾角，尖峰脈沖，60 Hz振動，或者任何形式的磁、電場變化。

　　不同位置的大地地線相互之間可能有電氣連接，也可能沒有。它們是否相連，以及接地電壓變化多大，部分取決于在接地線連接之間的介質(zhì)的導(dǎo)電性能的好壞。

1.3共用接地線的影響?yīng)?/SPAN>

　　如果一個RS-232連接的兩端共享一個共用的大地地線，并且SG線也接到安全地線，從所有源頭來的接地電流將會尋找阻抗最低的通路：大地地線或者SG線。這種情況，有多個返回通路，被稱作一個接地回路，顯然這不是所希望的。如果兩臺設(shè)備處在不同的建筑內(nèi)部，使用不同的電源系統(tǒng)，SG有可能比其他通路有更小的阻抗，從其他源頭來的接地電流就可能在連接的接地線上找到它們的通路，這會導(dǎo)致連接中的一個有噪聲的接地線。一個有絕緣的接地線的連接就避免了這個問題。

2 電源地線的設(shè)計應(yīng)用

　　一個絕緣的接口要求為這個絕緣屏障的每一端提供一個電源。圖2顯示了兩個絕緣的RS-232接口。每個接口使用一個雙電源，如圖1所示。在這個電源中一個變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)變成兩個次級線圈中的低電壓。一個線圈為計算機或者其他連接到光隔離器的設(shè)備端的電路提供電壓。另一個線圈為RS—232接口提供電壓。每個電源有它自己的接地線，并且這些接地線必須和一個大地地線、底盤或者信號地線沒有共同的連接。這個接口可以使用兩個完全分開的電源或者輸出沒有共享一個通用地線的電池，而不是有兩個線圈的一個電源。如何掌握一個直流電源是否與大地地線絕緣了呢?在大多數(shù)用線電壓供電的直流電源中，一個變壓器將線電壓降壓到一個較低的數(shù)值，其他元件整流、過濾和調(diào)節(jié)這個電壓的輸出到一個穩(wěn)定的直流電壓值。在變壓器的主線圈和副線圈之間需要的唯一的連接是主線圈中有電流流動時產(chǎn)生的磁耦合。這樣，這個變壓器就能夠?qū)㈦娫摧敵雠c線電壓導(dǎo)線和安全地線絕緣。實際上，有的數(shù)字電路電源的輸出沒有連接到安全地線。在輸出端，因為電壓很低，穩(wěn)壓器限制了電流，如果電路試圖產(chǎn)生大的電流，一根保險絲就將電路斷開。

　
　　在其他電源中，輸出的接地末端連接到一個安全地，打破了這個絕緣。結(jié)果就是和其他還連接到安全地或者大地地線的電路的共享接地線。即使是這些電路處于不同的建筑中或者相距數(shù)千英尺，它們之間也可能存在一個連接。

　　有兩線電源插座的電源可能看上去沒有安全地線連接，但是零線在外接電路插入電源的時候，是連接到安全地線的。這個電源的輸出只有在它的接地線沒有和零線相連的時候才是絕緣的。 

　　對于含有變壓器的電源而言，可以用一個歐姆表來查看這個輸出是否和安全地線絕緣。利用電源，量測在電源的安全地和這個直流輸出的接地線末端之間的阻抗。如果這個歐姆表顯示有連接，就表示沒有絕緣。在電源內(nèi)部、零線和安全地線應(yīng)該沒有連接。也可以用歐姆表驗證這一點。

　　有的電源不使用變壓器，它們僅僅是直接整流，降低和過濾線電壓。在這種情況下，輸出就沒有與大地地線絕緣。即使是電源插座沒有安全地線引腳，在外接電路插入電源的時候，零線也是連接到安全地線的。

3采用光電隔離器

　　光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個與光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導(dǎo)致在這個電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個發(fā)光二極管的基極可以留著沒有連接。從基極到發(fā)射極加入一個電阻可以導(dǎo)致更快的開關(guān)速度，但是輸出電流更低。

　　圖2的接口使用了6N1398光隔離器，它是設(shè)計用來和LSTTL邏輯直接連接的。它們的增益很高達400％，但一個發(fā)光二極管的電流只有0.5 mA。在TTL到RS-232電路中，在74LSl4轉(zhuǎn)換器的引腳3的一個邏輯低電平使得電流流過這個發(fā)光二極管，這就打開了相應(yīng)的光敏電阻，使得它的集電極處于低電平。這個MAX233將這個信號反向，然后發(fā)送一個正的RS-232電壓。

　　在74LSl4引腳3的邏輯高電平關(guān)閉這個發(fā)光二極管和光敏電阻。MAX233位于引腳2的內(nèi)部上拉電阻產(chǎn)生一個負的RS—232電壓。

　　光隔離器在另一個方向上也是以類似的方式工作。一個負的RS-232輸入使得MAX233輸出一個邏輯高電平。這個邏輯高電平將發(fā)光二極管和光敏電阻打開，導(dǎo)致在74LSl4的引腳1的邏輯低電平和引腳2的邏輯高電平。一個正的RS-232輸入導(dǎo)致MAX233輸出一個邏輯低電平。這個邏輯低電平關(guān)閉這個發(fā)光二極管和光敏電阻。一個上拉電阻將74LSl4的引腳l拉到高電平，導(dǎo)致在引腳2處出現(xiàn)邏輯低電平。

　　RS-232到RS-232電路顯示了怎樣通過使用一個RS-232輸出來直接驅(qū)動一個發(fā)光二極管來絕緣一個現(xiàn)有的，未絕緣的RS-232接口。當RS-232電壓為正的時候，這個發(fā)光二極管打開，并且這個絕緣的RS-232輸出也是正的。當這個未絕緣的輸出為負的時候，這個發(fā)光二極管關(guān)閉，并且一個二極管將這個電壓限制在大約-07 V。在另一個方向上，電路類似于它上邊的電路，除了因為這個未絕緣RS-232已經(jīng)將信號反向，因而不需要一個LS74系列的反向器以外。



圖2光耦合器從TTL到RS-232或從現(xiàn)有的RS-232到一個絕緣的RS-232形成一個絕緣的接口

　　對于最底下電路的V_CCl，如果沒有其他用途的話，可以在D_TR或者R_TS使用一個正的輸出。這個電路在V_CCl這一邊的電纜應(yīng)該較短。光敏電阻的開關(guān)時間是幾微秒，這個時間長度不會在數(shù)據(jù)傳輸速度為20 kb/s或者更低的時候?qū)е氯魏螁栴}。對于更快的波特率，應(yīng)該尋找一個開關(guān)時間為這個位寬度的1/10或者更短的發(fā)光二極管。

　　另一個實現(xiàn)絕緣接口的方法是為接口的RS-232—端使用一個獨立的、絕緣的+12 V電源。這也使能夠使用較便宜的1488／9驅(qū)動器和接收器。

　　此外，可以選用Max252接口，Max252是一個在一個單一的封裝里的完整的、絕緣的RS-232接口。這個芯片包括一個石英諧振器和一個微型的變壓器，這個變壓器從芯片的5 V電源產(chǎn)生一個隔離的電源。它還有兩個光隔離的驅(qū)動器／接收器對。

　　絕緣連接的另一種方式是使用光纖電纜來取代銅導(dǎo)線。光纖有很多優(yōu)點，它們對接地噪聲和電磁干擾有抵抗力，并且自身不產(chǎn)生電磁干擾。光纖電纜往往可以在1～2.5 mil之后才需要使用轉(zhuǎn)發(fā)器。

4 電涌保護設(shè)計

　　電涌保護是使電路免受噪聲或者破壞性電壓和電流攻擊的有效方法。理想的電涌保護應(yīng)該吸收所有處在連接操作范圍之外的電壓和電流，而不在任何方面限制連接的傳輸。在實際工程應(yīng)用中，可在連接中添加電容，以避免由于電壓波動而造成的不良影響，因此也限制了最大的波特率。

　　在正常的操作中，這個保護設(shè)備表現(xiàn)出很高的電阻，因此事實上對于傳輸電路而言是不可見的。當線路存在一個高電壓涌流時，保護設(shè)備打開，提供了一個到地的電阻通道。

　　兩個有用的涌流抑制設(shè)備是TVS二極管和氣電管。TVS(瞬時電壓抑制)二極管在關(guān)閉的時候有很小的電容，且反應(yīng)迅速(10-12 s)，并且可以在很大擊穿電壓范圍內(nèi)使用。氣電管要慢一些，但是可以在更高的電壓下提供保護。有的連接兩者都使用。每一種設(shè)備應(yīng)該連接穿過一個接地跨接或者其他直接與大地地線的低阻抗連接。

參考文獻

1（美）Mark Nelson.串行通信開發(fā)指南. 北京:中國水利出版社,2000,9
2（美）Jan Axelson.串行端口大全.北京:中國電力出版社,2001,5
3范逸之.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國青年出版社，2000,8