一種基于RS422總線的交叉備份與分布式接收應用電路設計

宋云霞

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230088)

0 引 言

RS232、RS422都是由電子工業協會(EIA)制定發布的串行數據接口標準，RS232工業標準EIA-232-E發布時間最早應用最早，在長期應用中，它暴露出通信距離短、速率低的缺點，限制了RS232總線的應用范圍，為了彌補RS232 的不足之處，EIA提出了RS422的接口標準。RS422定義了一種平衡通信接口，將通信速率提高到10Mbps，通信距離延長到4000ft(速率低于100bps)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，但是在可靠性要求較高的應用場合，為了提高系統可靠性，對于RS422總線的應用提出新的硬件要求[1]。本文研究了以RS422菊花鏈拓撲結構為基礎，進行系統級交叉備份，發送端雙機冷備輸出，接收端分布式接收且雙機冷備的應用電路設計，依托實際工程進行驗證，此電路設計切實可行，系統可靠性高，信號質量好，抗干擾能力強，功耗低，具有現實的應用意義。

1 RS422交叉備份與分布式接收的拓撲結構設計

RS422硬件接口電氣規范見表1。通常情況下，發送驅動器輸出正電平在+2V～+6V，是一個邏輯狀態，負電平在-2V～-6V，是另一個邏輯狀態。接收器與驅動器相對，接收端正端負端之間電平大于+200mV時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。

表1 RS422硬件接口電氣規范

EIA RS422硬件接口電氣規范參數條件最小值最大值單位發送器輸出電壓(開路)10-10V發送器輸出電壓(開路)負載電阻=100Ω2-2V發送器輸出阻抗A端到B端100Ω發送器輸出短路電流每個輸出端到地±150mA發送器輸出上升時間負載電阻=100Ω10占比特寬度的百分比發送器共模電壓負載電阻=100Ω±3V接收器輸入靈敏度共模電壓(Vcm)≤±7±200mV接收器共模電壓-7+7V接收器輸入阻抗4kΩ差分輸入信號電壓接收器正常工作±10V接收器輸入最大差分信號±12V

RS422總線采用菊花鏈拓撲結構，發射端和接收端采用三線制接法，差分線采用平衡雙絞線正端與正端、負端與負端對應相連，信號地線作為正負端的參考電平，連接發射機與接收機的地電平。RS422的最大傳輸距離為4000ft(約1219m)，最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbps速率下，才可能達到最大傳輸距離，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸，一般100m長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps，RS422需要一端接電阻，要求其阻值等于傳輸線纜的特性阻抗。

本工程中設計的交叉備份電路在常規RS422菊花鏈拓撲結構的基礎上，采用了接收端和發射端交叉備份以及接收端分布式接收的電路設計，提高了系統的可靠性，具體電路設計如圖1所示。

本工程的電路應用中，發射端雙機冗余共用一個機箱，雙機的輸出合并點應在機箱內部冷冗余，碼速率最大不超過10Mbps。3個接收端分布式掛接在總線上，每個接收端雙機冗余共用一個機箱，雙機的輸入合并點在機箱內部冷冗余，3個接收端的主機共用一個+5V電源，備機共用另一個+5V電源，主機和備機不能同時供電。為保證信號質量在最遠端接130Ω電阻進行阻抗匹配，本工程應用中，RS422總線最遠接收端距離發射端為10m(±0.5m)，通信頻率為3.125MHz，由圖2可知，在總線長度10m的情況下，總線傳輸速率最高可達10Mbps，因此本工程所選碼速率滿足總線要求，且余量充足。

2 電路參數選擇對信號形成的影響分析

在系統電路設計中，菊花鏈拓撲結構是最常用的接線方式，但是為了滿足多種多樣的工程需求，延伸出了多種多樣的總線拓撲結構。本工程在菊花鏈拓撲結構的基礎上，結合系統對高可靠性的需求，設計了交叉備份的分布式接收電路應用，上一節已經對系統的應用背景做了介紹，完成了總線結構的設計，但是信號質量控制是一個復雜的工作，電路設計過程中的電阻、電容、線纜長度等因素對信號質量也有至關重要的影響， 本部分內容結合實際工程應用分析電路參數選擇對信號質量的影響，并給出最優化的電路參數選擇方案，為以后的工程應用提供參考和依據。

圖1 基于RS422的交叉備份與分布式接收拓撲結構設計

圖2 平衡雙絞線長度與傳輸速率關系[2]

本工程中，發射端422驅動器選擇JS26C31BD[3]器件，驅動器單端串聯故障隔離電阻為51Ω，故障隔離電阻的作用是隔離器件故障，當主機JS26C31BD芯片故障，內部場效應管擊穿時，隔離電阻的存在使得驅動端故障時，故障不會蔓延，不會損壞備機或者接收端芯片。接收端為JS26C32BD[4]器件，接收端分布式連接在總線上，每個接收端串聯1k故障隔離電阻，故障隔離電阻的存在主要是防止JS26C32BD芯片內部故障，當多路接收端中只有一路或者少數幾路接收芯片故障時，1k隔離電阻的存在使得其它接收端可以正常工作，將芯片故障的影響降到最低。

接收端阻抗進行匹配，終端電阻匹配的目的是使得信號不發生反射，在總線最遠的接收器匹配130Ω電阻，由于接收端是雙機冷備份，因此每一個單機上并聯電阻為260Ω，匹配阻抗的作用是使得信號從傳輸線進入接收器的過程中，不出現阻抗突變，JS26C32BD的輸入阻抗為4k，并聯130Ω電阻后，輸入阻抗約為126Ω，約等于雙絞線阻抗，由公式(1)、公式(2)和公式(3)計算可知接收器輸入電壓等于入射電壓。

V=V入射+V反射

(1)

V反射=V入射·Γ

(2)

(3)

參數說明如下：

V——測量端點電壓；

V入射—— 測量端點入射電壓；

V反射—— 測量端點處產生的發射電壓；

Γ—— 端點處的反射系數；

Z2—— 測量端點后端阻抗；

Z1—— 測量端點前端阻抗。

上下拉電阻的作用是單機未接入系統就上電的情況下，將JS26C32BD芯片的差分輸入端鉗位在高電平，使得源端開路單機上電的情況下，不會出現不定態。每個接收端的主機和備機供電獨立，3個接收機正端上拉2.2kΩ電阻，三機并聯之后上拉電阻為730Ω，所有接收端的地信號為由發射端輸入的地電平，6個接收機負端下拉4.3kΩ，六機并聯之后下拉電阻為717Ω。當差分輸入開路的情況下，圖3可知由上拉電阻730Ω、匹配電阻130Ω、下拉電阻717Ω，分壓+5V，可知差分電壓被鉗位在412mV≥200mV，因此JS26C32BD輸出高電平。

圖3 源端開路分壓關系

由于接收端采用雙機冷備的方式，二極管的存在可以有效防止冷機時電壓倒灌。當主機上電，備機斷電時，若無防倒灌二極管的存在，+5V電壓會經過上拉電阻進入備機電源，長時間存在會損壞備機接口芯片，因此在雙機冷備時防倒灌二極管的存在十分必要。

3 信號質量分析

本部分通過對工程電路進行實際測量，用事實證明了電路參數選擇的合理性，測量工具有差分探頭、示波器、電源模塊。本工程中，發射端422驅動器選擇JS26C31BD器件，驅動端輸出阻抗為100Ω，單端故障隔離電阻為51Ω，雙絞線上隔離電阻為102Ω，雙絞線纜阻抗為100Ω(由線纜本身特性決定)，在驅動器輸出端阻抗連續，信號平穩的由驅動器傳輸至雙絞線纜[5]，無信號反射發生，由圖4發射端差分信號可以看到輸出電平電壓情況。信號由線纜傳輸至接收端，由于匹配電阻的存在，沒有發生阻抗突變，無信號反射發生，由圖5接收端差分信號可以看到，接收端輸入電壓與驅動端輸出電壓保持一致，信號在整個傳輸過程中無反射和振鈴情況發生。實際測量結果與理論分析完全一致，可以驗證電路參數選擇的合理性。

圖4 發射端差分信號

圖5 接收端差分信號

本人在調試過程中發現，信號會有輕微的間隔波動現象出現，這是菊花鏈拓撲結構不可避免的問題，信號波動存在的原因是接收端分布在菊花鏈總線上，而接收端樁線的存在使得總線阻抗每隔一段長度就發生變化，阻抗的不連續性導致了信號的復雜反射，但是由測量結果可以看到波動很輕微不影響信號識別，通過減短接收端與總線之間的樁線長度可以減弱這種信號波動現象，因此出現了菊花鏈拓撲結構的改進形式——Fly-by拓撲結構[6]，這種結構的信號質量優于菊花鏈拓撲結，但是系統結構受限，接收端位置不自由，在此不對Fly-by拓撲結構展開介紹。

4 結束語

本文以實際工程案例為依托，介紹了一種高可靠性、高信號質量的工程實現形式，針對RS422總線的交叉備份和分布式接收電路展開介紹， 首先介紹了系統的拓撲結構形式，然后結合總線上的參數選擇進行了電路信號分析，最終介紹了實際工程測量的信號質量，以及工程采用的拓撲形式出現信號波動問題的原因和解決方案，具有實際的應用意義。