一種分段隔離差分總線接口電路

趙博華，蘇寒剛，朱曉建

（中國郵政集團公司上海科學研究院 上海 200062）

上海郵政科學研究院研制并生產的信函分揀機，掛號信分揀機等大中型郵政信函自動化分揀設備，它們實現對郵政信函的單封分離、郵政信息閱讀識別和高速集堆等一系列信函分揀流程。標準配置的分揀機格口數目一般為300左右，整機長度超過50 m[1-2]。系統的控制網絡為總分式樹形結構，其中，一臺工控機作為控制系統的主機，分揀機的其他硬件設備在長度方向上分成若干模塊，每個模塊受所屬模塊控制電路控制，各模塊控制電路接受主機訪問和控制，模塊電路與主機的通信方式為全雙工并行差分總線方式。這種差分總線傳輸方式的抗共模干擾性能較好[3]。但在分揀機的工程應用方面，易出現下面的問題：

1）若一個模塊電路與總線連接錯誤，可導致總線上其他模塊電路損壞，損壞的模塊位置和數量不確定。

2）一條長度>50 m的總線，連接多個模塊電路，不利于安裝和維修。

3）一條總線沿設備長度方向貫穿始終，電磁設備耦合的干擾導致總線的驅動能力隨長度的增大而減弱。

目前對總線有高速光耦隔離和磁隔離兩種方式[4-5]，也有基于MCU的隔離型中繼器[6]，但是隔離方法均為每個節點對整條公共總線的隔離，這種方法對1）和3）有改善作用，但還不能解決問題2）。

為了解決上述3個問題，文中提出一種分段隔離差分總線接口電路，此電路作為主控機與模塊電路之間、模塊電路與模塊電路之間的總線接口電路，既兼容控制系統的原通訊協議，又能對主控機和各模塊之間的電路進行了電氣隔離，尤其實現將一條長總線分割成若干段，每段的長度為主控機與其相鄰模塊的距離或兩相鄰模塊距離。與原模塊控制電路直接連接至總線的方式相比，本文設計的接口電路的優點為：1）總線誤接只損壞誤接模塊的接口電路，不會涉及到當前的模塊處理電路，更不會影響其他模塊的電路；2）分段的連線無疑降低了安裝和維修的難度，提高系統的可靠程度；3）電氣隔離避免了總線耦合電磁干擾的累積。

1 控制系統結構基礎

本文設計接口電路以現有控制系統結構為基礎，如圖1所示為現有郵政信函自動分撿設備的控制系統網絡拓撲圖。

圖1 信函的自動分撿設備的控制系統網絡拓撲圖Fig.1 Control system topology of letter sorting equipment

由圖1可知每個模塊具有一個模塊控制電路、若干功能處理電路、大量的傳感器和執行器，功能電路與部分傳感器和執行器都與當前模塊的模塊控制電路直接連接，傳感器以光電傳感器為主，執行器包含大量的電磁鐵轉折器和馬達等。主控機發出的控制信號（地址和數據）沿設備長度方向的全雙工并行差分總線，傳輸至各個模塊，地址信號與模塊控制電路的ID唯一對應。傳感器或模塊內功能電路輸出信號經過模塊控制電路處理后經總線傳輸至主控機。

2 電路工作原理

圖2 電路工作原理示意圖Fig.2 Working principle of the circuit

本文接口電路原理如圖2所示，包括電磁隔離器（電磁隔離1、電磁隔離2、電磁隔離3和電磁隔離4）、隔離電源（隔離電源1和隔離電源2）、差分線路驅動器（差分驅動1、差分驅動2、差分驅動3和差分驅動4）、總線收發器（總線收發1和總線收發2）以及控制總線收發器選通CPLD。其中，差分驅動器用于將總線輸入的差分信號轉換成TTL信號，或將TTL信號轉換為差分信號輸出到總線上。電磁隔離器用于TTL信號的隔離，包括經差分驅動器轉換的TTL信號或是當前模塊準備輸出到總線上的TTL信號。總線收發器用于當前模塊控制電路輸出信號或總線上其他模塊板輸出信號的互斥選通，控制選通的信號根據總線輸入地址信號經CPLD對輸入地址的邏輯運算得到[7]。隔離電源給隔離后的電磁隔離器和驅動器供電。

如圖2所示，當包含地址和數據的總線輸入信號1由主控機或與當前模塊相鄰且接近主控機方向的模塊接口電路（本文簡稱“上臨電路”）通過總線輸入到當前模塊接口電路，首先經過差分驅動1將差分信號轉換成TTL信號，TTL信號經過電磁隔離1后，輸入到當前模塊控制電路，同時也被電磁隔離2隔離后，經過差分驅動2轉換為差分信號，作為總線輸入信號2，發送到與當前模塊電路相鄰且遠離主控機方向的模塊接口電路（本文簡稱“下臨電路”）。

由當前模塊接口電路發送至主控機或“上臨電路”的信號為總線輸出信號1（包括輸出數據），總線輸出信號的來源兩個途徑，其一是當前模塊控制電路處理得到的輸出信號，其二是“下臨電路”傳輸到當前模塊接口電路的總線輸出信號2，其中二者只能有其中之一被發送到“上臨電路”或主機。“下臨電路”的總線輸出信號2經過差分驅動4轉換成TTL信號，此信號經過電磁隔離4后通過總線收發1被使能或禁止傳輸至電磁隔離3，當前模塊控制電路處理得到的輸出信號通過總線收發2被使能或禁止傳輸至電磁隔離3，總線收發1和總線收發2為互斥選通，保證只有一個通道的信號可傳輸至電磁隔離3，隔離的TTL信號經差分驅動3傳輸到主控機或“上臨電路”。

因此本文提出的這種連接方式可使總線分段，且總線的輸入輸出信號在進入模塊電路之前經過電磁隔離。本文提出控制系統傳輸方式如圖3所示。

圖3 基于分段隔離總線的控制系統信息傳輸方式示意圖Fig.3 Information transmission of control system based on segmented and isolated bus

3 電路實現

隔離電路的主要芯片包括：差分驅動器AM26LS31和AM26LS32，隔離芯片ISO7240系列，總線收發器74125，DCDC隔離電源。如圖4所示，P1和P2為當前模塊接口電路的總線插座，其中P1用來連接主控機或“上臨電路”，P2用來連接“下臨電路”，圖中省略了各器件的供電電路。經過4（a）所示的差分轉換與隔離得到的A0，A1為地址信號，ID0，ID1為輸入數據，這些數據傳輸至當前模塊控制電路，又同時經過圖4（b）隔離和差分轉換傳輸至“下臨電路”。OD0a-OD3a為“下臨電路”傳輸至當前模塊接口電路的一組輸出數據，OD0b-OD3b為當前模塊控制電路傳輸至接口電路的一組輸出數據，兩組數據由U10和U5控制傳輸，CONTROL1與“CONTROL2”為互斥信號，保證一個時刻只有一組數據能有效傳輸至主控機或“上臨電路”。

圖4 主要電路原理圖Fig.4 Main circuit schematics

4 實驗

本文先后對此接口電路進行了單電路測試和雙電路級聯測試，利用BinTest測試軟件（界面如圖5所示），對各地址的I/O進行讀/寫操作，電腦顯示數據和執行器反應均正確無誤。

本接口電路在上海郵政中心局的兩臺掛號信分揀機和三臺MPS分揀機進行現場測試，已經穩定運行2 000小時以上。

5 結 論

綜上，本文設計的分段隔離總線接口電路將總線驅動技術和電磁隔離技術相結合，此接口作為總線上的每一個節點電路與總線之間的信號轉換電路，信號經過差分抓換和隔離的正反向過程，實現了：1）各節點電路（模塊處理電路）的電氣隔離，增強了抗干擾性能并降低了總線上故障電路對其他電路的影響；2）接口電路的總線輸入和輸出端口將一條長總線分成只有模塊間距長度的若干短線段，便于工程安裝和維護；3）總線信號在經過每個節點電路時，數字信號均被整形和放大，提高了總線信號的驅動能力與穩定性。此外，本設計可僅對現有全雙工總線構架做硬件改進，可兼容原傳輸協議。

圖5 BinTest測試軟件Fig.5 BinTest testing software

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[3]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版，2002.

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[5]張義忠.高速寬帶線性模擬信號隔離器的研究 [D].西安:西安電子科技大學，2007.

[6]于淼，曾迪暉，王大龍，等.單線CAN總線隔離中繼器的設計[J].電子工程設計，2013，21（14）:131-133.YU Miao，ZENG Di-hui，WANG Da-long，et al.Design of isolation repeater based on the single wire CAN-Bus[J].Electronic Design Engineering，2013，21（14）:131-133.

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