基于光耦的三線串行通信接口電路性能提升的研究

王戩，聶浩，楊明明

（北京空間機電研究所 北京 100094）

基于光耦的三線串行通信接口電路性能提升的研究

王戩，聶浩，楊明明

（北京空間機電研究所 北京 100094）

介紹了一種目前常用的基于光耦隔離的三線串行通信接口電路的設計方法，通過電路設計原理和實測數據分析了此種串行接口電路在傳輸速率提升后通信異常的原因，提出了幾種高速光耦隔離電路信號傳輸錯誤的解決措施，設計了專項試驗電路驗證了這些方法的有效性和工程可行性。最后，給出了基于高速光耦隔離的三線串行通信接口電路設計實施方案的合理化建議。

高速光耦；串行接口；性能提升；長線傳輸；阻抗匹配

為了減少設備間的互相干擾，信號隔離傳輸技術廣泛應用于工業網絡環境的現場總線、軍用電子系統和航空航天電子設備中，尤其是一些應用環境比較惡劣和可靠性要求較高的場合。常用的隔離方式有光耦隔離、磁耦隔離、繼電器隔離和變壓器隔離等等，由于光耦隔離與其它隔離方式相比，具有體積小、種類多、使用靈活、價格低廉等優點，在信號隔離傳輸技術中被廣泛應用［1］。光耦隔離技術，實現了電路間的光電隔離，既使輸入信號能有效傳遞，又能防止輸出信號反饋到輸入端，有效地抑制了各種電路噪聲的干擾［2］，但在進行距離較遠、速度較高的信號傳輸場合使用時，由于信號的線間串擾、傳輸線的阻抗匹配、器件的容性效應和光耦自身的工作特點等多方面的原因，信號傳輸的誤碼率大幅提高，可靠性嚴重下降。因此，針對信號全鏈路的傳輸特性進行分析，尋找有效手段提高基于光耦的串行接口電路的性能，非常具有工程應用價值。

1 基于光耦的串行接口電路與測試

三線串行通信接口是指用于通信的信號線有3種，分別是門控信號、時鐘信號和數據信號，在門控信號的有效期間內，信號的上升沿用于數據的跳變，信號的下降沿對準數據中心，用于數據的讀取，常用的三線串行通信接口電路的時序如圖1所示。由于有門控信號的使能控制以及同源時鐘的沿讀取數據特性，三線串行接口電路相對于RS232串行接口電路的傳輸速率和抗干擾性都大大提高，因此，三線串行接口電路在航空、航天等有高可靠性要求的通信場合應用十分廣泛。

圖1 三線串行通信接口電路時序圖Fig.1 Timing of three-line serial communication interface circuit

基于光耦的三線串行通信接口電路是指電路中每種信號的硬件接收接口器件為光耦，門控、時鐘和數據信號比較典型的接口電路均如圖2所示，發送端5.5 V電源VCC1通過防倒灌二極管D0和限流電阻R2驅動光耦前端的發光元件，發光元件的回線端與三極管Q1的集電極相連，信號通過控制三級管的打開與關斷實現信號的傳輸。這種接口的三線電路在電纜長度較短、通信頻率較低的條件下能夠很好地工作，設備間信號隔離傳輸的效果也較好，但是當傳輸線長度達到4米，通信頻率為1 MHz甚至更高時，誤碼率則明顯增高，甚至無法正常通信。此時，使用示波器同時監測三線串行接口電路時鐘和數據信號在三極管集電極處以及光耦后端輸出的波形如圖3所示，其中C1通道為數據信號在三極管集電極處測得的波形，C2通道為時鐘信號在三極管集電極處測得的波形，C3通道為數據信號在光耦輸出端VOdata測得的波形，C4通道為時鐘信號在光耦輸出端VOclk測得的波形。由于門控信號在整個信號傳輸期間為低電平，相對信號傳輸速率較低，信號質量較好，對其他信號產生的動態干擾也小，故此信號在實測波形圖中不作特別分析。

圖2 典型的基于光耦的串行接口電路Fig.2 Typical serial interface circuit based on optocoupler

圖3 典型的光耦串行接口電路實測波形Fig.3 Measured waveform of typical serial interface circuit based on optocoupler

2 通信異常與問題產生機理分析

從圖3所示的實測波形可以看出，時鐘信號和數據信號經過光耦以后占空比發生了較大的變化，如C4和C3，時鐘信號的下降沿已不能對準數據的中心，幾乎和數據的跳變沿對齊，按照圖1所示的接口時序，數據讀取必然會有時正確有時錯誤，從而導致誤碼率增加，嚴重時無法正常通信。另外，從圖3中可以看出三極管集電極處所測得的時鐘和數據信號高電平狀態無法達到正常值水平，信號爬升緩慢，信號受到噪聲的擾動現象也有明顯體現。

導致信號高電平無法達到正常水平，信號爬升緩慢、信號輸出占空比發生較大變化的原因主要有以下幾個方面:其一是圖2中所示的三極管作為開關管工作在飽和區，由于電路參數調整不當，三極管進入深度飽和狀態，深度飽和的三極管將會大大影響它的開關速率［3］。因為三極管是由PN結構成的，有一定的容性效應，當深度飽和發生后這種容性效應更加明顯，由于深度飽和時Icmax＜＜βIb，三極管BE極寄生電容由于沒有低阻泄放通路，寄生電容的充放電時間變長，其帶來的充放電時延就會導致三極管的關斷時間Toff明顯變長，信號高電平上升緩慢，在其還未達到正常值水平時，三極管導通動作已開始，因此，在通信速率較高時要絕對避免三極管工作在深度飽和狀態。其二是信號經過4米長線纜傳輸，電纜的容性效應已經不能忽略，尤其是接地措施處理不當的屏蔽電纜容性效應更加明顯，即使前端的三極管能夠及時關斷，但由于傳輸線寄生電容產生的容性效應在整個通信鏈路中沒有低阻泄放通路，將繼續維持光耦導通，從而引起高電平爬升緩慢，最終光耦后端信號占空比發生較大變化。占空比發生較大變化的另一個原因是光耦的負載特性使光耦輸出信號的沿特性發生明顯改變，根據實驗結果分析如果R2一定的前提下，R7越大信號上升沿寬度tr越大，趨勢越緩；如果電路R7減小則變化趨勢相反，即信號上升沿寬度tr減?。?］，由此可見，提高通信速率有效的方法之一是盡可能地減小R7的阻值。

另外，圖3中時鐘信號下降沿來臨時，數據信號受到明顯的擾動，主要是三極管導通時，速率較快的時鐘信號瞬間對地形成低阻通路，使高電平到低電平跳變的變化非?？?，跳變沿較為陡峭，瞬變的電流在4米長電纜中由于電磁感應，使時鐘信號的變化耦合到數據信號中，產生了信號通道之間的串擾。在電纜長度較長又沒有采取有效屏蔽和減小信號耦合措施的電路中，如果通道間串擾產生的噪聲信號達到光耦的響應閾值范圍，也會產生信號傳輸錯誤。

從測試信號波形存在的毛刺也可以看出信號傳輸鏈路存在阻抗失配問題。阻抗匹配不好會造成信號干擾，如駐波、過沖、振鈴等現象，嚴重時還會引發誤動作［5］，而且當脈沖速度越快時干擾信號就越多、越容易出錯。所以阻抗失配時，不僅不能獲得最大的傳輸效率，一旦干擾信號達到了光耦的閾值響應范圍，信號傳輸就會產生錯誤，嚴重時還可能會對電路產生損害。

3 解決措施

通過信號傳輸錯誤產生的機理分析，提高接口電路性能的解決措施主要圍繞以下幾個方面進行，首先是避免三極管工作在深度飽和區，為三極管的基極和地之間提供低阻泄放通路；使用非屏蔽雙絞電纜將信號的高線和回線雙絞，盡量減小雙線之間的絞距，使信號對相鄰信號的線間串擾盡量減??；設計阻抗匹配網絡，為鏈路中的容性效應提供低阻泄放通路，同時通過源端和負載端的阻抗匹配提高信號傳輸質量；適當平滑信號的跳變沿，使其電流變化率減?。辉跐M足器件和系統使用要求的前提下，盡量減小光耦后端負載電阻的大小，使信號上升沿時間延遲減小，盡量保證與信號源端一致的占空比，確保信號傳輸時序要求。

1）三極管解決深度飽和的方法

三極管飽和越深，其工作速度越慢，要提高電路的工作速度，就必須設法使三極管工作在淺飽和狀態，目前三極管的抗飽和電路主要有兩種，一種是在NPN三極管的基極和地之間并入一個分壓電阻，在保證三極管基極電流的同時，又能為極間寄生電容提供低阻泄放通路。另一種是在基極與三極管集電極之間并入肖特基二極管，利用肖特基勢壘二極管的箝位方法來達到抗飽和的效果，其實現原理是利用肖特基勢壘二極管的管壓降較低的特點，使二極管的管壓降加上三極管CE端的飽和壓降與三極管BE端的飽和壓降基本相符，若三極管進入飽和狀態，再加大Ib電流，大部分電流就會經三極管CE端流入GND，進而使得三極管不會進入深度飽和狀態，但此種方法對三極管BE間寄生電容的泄放效果并不明顯，因此建議采用第一種方案。

2）阻抗匹配

阻抗匹配的原則有兩個：一是消除信號源（或電源）與負載之間的反射波，保證傳輸信號的傳輸質量，這種阻抗匹配稱為無反射匹配；二是使電源（或信號源）輸出最大功率，這種阻抗匹配稱為最大輸出功率匹配。信號源與負載阻抗匹配可實現無反射匹配，共軛匹配可用于功率最大匹配，如果阻抗為純電阻，則上述兩種匹配原則是一樣的［6］。實現電路阻抗匹配的辦法是進行阻抗變換，阻抗變換方法有多種，如變壓器，電容或電感分壓，傳輸線阻抗變換或采用倒L形、π形、T形阻抗變換網絡等等［7］，比較簡單易行的主要有串聯終端匹配和并聯終端匹配方法。串聯終端匹配是在信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號的源端和傳輸線之間串接一個電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負載端反射回來的信號發生再次反射。并聯終端匹配的理論出發點是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目的。本文所需要解決的問題主要是通過阻抗匹配網絡實現無反射匹配。

3）電纜選擇

經常使用的信號傳輸線主要有單線、雙絞線、帶狀平行電纜、同軸電纜和雙絞屏蔽電纜等。傳輸線的特性參數有很多，與傳輸線的反射干擾有關的參數主要有延遲時間和波阻抗。一般說來，單線的信號延遲時間最短，同軸電纜較長，雙絞線居中。波阻抗為單線最高，約為數百歐，雙絞線的波阻抗一般在100～200 Ω之間，且絞花越短，波阻抗越低［8］。從抗干擾的角度講，同軸電纜最好，雙絞線次之，而帶狀電纜和單線最差。因此，綜合考慮選擇非屏蔽雙絞線，適當減小雙絞線的絞距，將獲得很好的信號質量提升。

4 改進電路設計與試驗驗證

改進后光耦串行接口電路如圖4所示，通過計算與試驗驗證，三極管前端分別選擇820 Ω和200 Ω的電阻網絡實現三極管基極限流與極間對地低阻泄放通路，在發送設備端串聯10 Ω、并聯1 kΩ的電阻網絡進行源端阻抗匹配，在接收設備的光耦前端串聯150 Ω電阻、并聯510 Ω和100 pF電容形成倒L形阻抗匹配網絡進行負載端阻抗匹配［9］，在光耦后端并聯510 Ω的電阻，提高光耦輸出信號的沿特性，使用非屏蔽雙絞電纜進行信號傳輸，整個鏈路的信號傳輸波形質量將達到最佳匹配狀態。圖5是改進后的光耦串行接口電路實測波形，其中C1通道為時鐘信號在三極管集電極處測得的波形，C2通道為時鐘信號在在光耦輸出端VOclk測得的波形，C3通道為數據信號在三極管集電極處測得的波形［10］，C4通道為數據信號在光耦輸出端［11］VOdata測得的波形。從圖中可以看出，從發送設備到接收設備經過4米長的傳輸電纜，信號傳輸的沿跟隨特性依然很好，信號傳輸質量很高。

圖4 改進后的光耦串行接口電路Fig.4 Improved serial interface circuit based on optocoupler

圖5 改進后的光耦串行接口電路實測波形Fig.5 Measured waveform of improved serial interface circuit based on optocoupler

5 結束語

綜上所述，綜合采用三極管抗飽和電路提高三極管的開關速度、采用非屏蔽雙絞線并盡量減小絞距來減少信號傳輸的線間串擾、進行信號傳輸源端與負載端阻抗匹配［12］、適當增大高速光耦的輸出端負載等方法，可以有效提高基于光耦的三線串行接口電路的傳輸速度，降低信號傳輸誤碼率，試驗測試數據也表明了上述方法的有效性和可行性，但設計人員還應充分考慮在實際應用中各種不同因素的影響，結合電路系統的特點，綜合采用合適的抗干擾措施，才能保證信號傳輸準確、可靠。

［1］何進.淺談數字隔離器件的選型與應用［J］.電子設計應用，2008（2）:57-61.

［2］陸泉森，李軍，鮑鴻.光耦隔離技術在智能測控系統中的應用［J］.機械與電子，2008（2）:53-55.

［3］官飛.三極管的開關電路［J］.河南科技，2013（3）:2-3.

［4］陳淼，王振舉.數據傳輸中光耦對通訊速率的影響［J］.科技傳播，2013（8）:191-192.

［5］王翠珍，吳凌燕，陳世夏.電路阻抗匹配網絡的設計［J］.科技信息，2009（33）:109-110.

［6］秦塬淋.阻抗匹配概念解析與應用［J］.自動化與儀器儀表，2012（2）:112-113.

［7］劉立軍.阻抗匹配原理分析［J］.計算機光盤軟件與應用，2010 （8）:79-80.

［8］朱明杰，卓君華.傳輸線的反射干擾［J］.電子測試，2009，（6）:70-73.

［9］安源，蘇蕾，賀強民.高速低壓差分信號（LVDS）器件應用設計方法研究［J］.航天返回與遙感，2007（1）:39-45.

［10］王文龍，耿直，喬江輝，等.壓力傳感器靜態校準方法改進［J］.火箭推進，2011（3）：80-84.

［11］駱東松，黃靖梅.基于RBF網絡的鹽密光纖在線監測系統的研究［J］.陜西電力，2012（10）：40-43，52.

［12］邱進.一種應用于多斷口光控真空斷路器的同步控制系統的設計與實現［J］.供用電，2015（5）：69-73.

Study on the three-line serial communication interface circuit performance improvement based on the optocoupler

WANG Jian，NIE Hao，YANG Ming-ming
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

A common design method of three-line serial communication interface circuit based on optocoupler is introduced in this paper.Circuit design principle and experiment data are analyzed to illuminate the reason of communication error when the transmission rate is increased.In order to resolve transmission error of serial interface circuit based on high-speed optocoupler，several methods are also proposed in the paper.The effectivity and engineering feasibility of these methods are proved by a special experiment.Finally，some valuable suggestions to design three-line serial communication circuit based on high-speed optocoupler are put forward.

high-speed optocoupler；serial interface；performance improvement；long-distance transmission；impedance matching

TN709

A

1674－6236（2016）04-0117-03

2015-04-03 稿件編號：201504031

王 戩（1979—），男，遼寧綏中人，碩士，工程師。研究方向：光學遙感器電子學總體設計。