惡劣電磁環境中的數字接口電路設計

吳勝華，田海波，馬偉東

（南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210061）

0 引言

在工業控制技術領域，經常要求單設備內部各模塊之間或者多個設備之間實現通信接口。通常采用的手段如下：

1）設備內部各個模塊之間的通信因為距離比較近，通常利用TTL 或者CMOS 數字接口電路實現。

2） 對于多個設備之間或者設備內部各模塊距離較遠時，通常采用串行差分信號實現。

1 優缺點對比

TTL 或者CMOS 數字接口電路方便，可直接用數字接口芯片實現1bits ～16bits 數據的傳輸，協議解析簡單，傳輸數據量大，實時性較高。但是在工業控制領域環境惡劣，噪聲、射頻等電磁干擾（EMI）無處不在，各種設備之間的物理連接距離甚至超過10m 以上，在這種情況下，標準TTL 或者CMOS 數字接口電路對數據的傳輸可靠性就大為降低，極易因外部電磁干擾而造成邏輯錯誤。

差分信號的開關變化是位于兩個信號的焦點，而不像普通的單端信號依靠高低兩個閥值電壓判斷，兩根差分走線對于外界的共模噪聲可以被完全抵消。差分信號與普通的單端信號走線相比，抗干擾能力強，能有效抑制EMI。但是串行差分通信傳輸波特率較低，實時性比并行通信模式低，同時協議解析相對比較復雜。

2 硬件電路設計

圖1 兩模塊間雙向數字接口電路Fig.1 Two-module bidirectional digital interface circuit

對于標準的TTL 或者CMOS 數字接口電路而言，主要是因為噪聲容限電壓范圍較小，所以在工業控制領域長距離數字信號會發生邏輯識別錯誤。標準的TTL 電路其高電平噪聲容限電壓和低電平噪聲容限電壓通常都在1V 左右，抗干擾性能極差[1]。本設計電路極大地擴展了數字電路的噪聲容限電壓范圍，在直流24V 供電的情況下，噪聲容限電壓可達20V 左右。

2.1 兩設備之間雙向數字接口

如圖1 所示接口電路可實現單設備內兩模塊之間或者兩個不同設備之間雙向的數字接口電路。當模塊1（設備1）數字信號輸出低電平時，達林頓電路導通，二極管D1導通，電流經過電阻R1、二極管D1 和達林頓電路到地，則模塊2（設備2）數字信號輸入端邏輯電平為“0”；當模塊1（設備1）數字信號輸出高電平時，達林頓電路斷開，電流經過電阻R1、R2 和R3 到地，此時模塊2（設備2）數字信號輸入端電壓為(Vcc×R3)/(R1+R2+R3)；根據實際選用的數字信號輸入接口芯片的高電平電壓，同時按上述計算公式選擇合適的電阻阻值使R3 的分壓達到邏輯“1”的可靠電壓范圍；Vcc 電壓可選用直流24V 或者直流48V，可根據現場供電和使用環境進行配置；二極管D1 確保電流只能灌入達林頓電路。

此電路可穩定可靠地實現兩模塊（設備）之間1bits ～16bits 數據的長距離雙向并行數據通信。

2.2 多設備之間雙向數字接口

如圖2 所示，此電路可穩定可靠地實現多模塊（設備）之間主從式1bits ～16bits 數據的長距離雙向并行數據接口。模塊（設備）1 為數字接口主站，模塊（設備）2 ～模塊（設備）n 為數字接口從站。主站的數字信號輸出與各從站的數字信號輸入連接，主站的數字信號輸入與各從站的數字信號輸出連接。

3 實際應用

圖2 多模塊間雙向數字接口電路Fig.2 Multi-module bidirectional digital interface circuit

圖3 并行總線數據定義Fig.3 Parallel bus data definition

在某分散控制系統中，DPU 模件和多個IO 模件之間就采用此數字接口電路實現了40m 內的長距離的16bits 數據并行總線通信[2]，并行通信總線信號類型定義如圖3 所示。此模擬并行總線共使用了15bits 的數字信號接口實現了多個設備之間16bits 數據并行總線通信。DATA 為8bits 數字信號，為數據和地址復用的數字接口電路，此8bits 數據具體所代表的意義通過Address*信號和DATA*信號區分，Address*信號和DATA*信號在同一時刻只能一個有效（低電平有效），Address*信號則表示當前8bits 數據為設備所分配的地址；如DATA*信號為低電平，則表示當前8bits數據為實際的數據信息；高低字節指示（HI/LO*）用來區分向前8bits 數據是高字節還是低字節；當前8bits 數據的奇偶校驗由Parity 信號表示；數據鎖存（LATCH*）表示當前8bits 數據已穩定，可以讀取；輸入輸出指示（IN/OUT*）表示當前8bits 數據的方向是輸入還是輸出[3]。

圖4 讀16bit數據的波形Fig.4 Reading the waveform of 16bit data

圖5 寫16bit數據的波形Fig.5 Write the waveform of 16bit data

采用此接口電路實現DPU 模件和站內IO 模件通信的分散控制系統可完成控制邏輯的運算結果和輸入輸出信號傳遞的同步，有效地保證了對現場閥門、電機等設備的動態精準調節。圖4 和圖5 為使用邏輯分析儀捕獲的實際信號波形。圖4 為設備1 讀取其他設備16bit 數據的波形，圖5 為設備1 向其他設備寫16bit 數據的波形。

4 結束語

本文所設計的增強型數字接口電路，實現方便。首先，可穩定可靠地實現數十米內的數字信號接口；其次，可以根據需求任意擴展和組合使用不同位寬的數字信號接口，最少到1bit 的數字信號接口，最多位數沒有限制；最后，此電路還可以變形，中間可加入光耦等隔離型器件增強抗干擾性能。