數據處理器串行通信板的設計改進

黨艷娜 高艷芳 韓 亮 李少軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

現代雷達系統中，各系統之間以及系統內部需要進行數據通信。由于雷達各系統之間不僅對傳輸距離、通信速率、傳輸的數據量等有要求，對其可靠性要求更嚴;雷達數據處理器使用RS-422串行通信模塊實現一定遠距離的數據傳輸。雖然RS-422采用的是差分傳輸方式，具備一定的抗干擾能力，但是采用一般串行通信的設計方案，在溫度、濕度及電磁環境十分惡劣的環境下仍會出現接口損壞故障;根據實際工作中遇到的一些問題，以及對RS-422串行通信故障進行的深入分析，針對性地提出了適用于雷達數據處理器串行通信的抗干擾保護措施，同時在實踐中得到有效驗證，抗干擾效果非常明顯。

2 數據處理器串行通信簡介

2.1 數據處理器的通信功能

數據處理器［1］的主要功能是完成某雷達邊掃描邊跟蹤處理，實現對多目標的實時跟蹤。如圖1，數據處理器作為雷達數據處理的核心，通過RS-422標準接口與發射機、接收機、信號處理器、伺服控制計算機、詢問機系統進行數據通信。它的組成包括了CPU模塊(微型計算機)、電源模塊、串行通信板和其它模塊等。其中電源模塊主要是為各模塊提供符合要求的電壓;CPU模塊作為核心計算機為數據處理軟件的運行、存儲提供了硬件平臺;串行通信板是完成數據處理器和雷達其它分系統之間的數據通信;其它模塊響應總線同步時鐘信號，完成總線網絡數據時序管理，同時將數據上報計算機管理系統。鼠標、鍵盤、顯示器作為外接設備，用于數據處理器單體的調試。

2.2 RS-422串行傳輸方式

RS-422標準的數據信號采用差分方式傳輸，電路由發送器、平衡連接電纜、電纜終端負載和接收器組成。它通過平衡發送器將邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送;通過差動接收器，將電位差變換成邏輯電平實現終端的信息接收。

RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖2是典型的RS-422四線接口。RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，因此，不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可按軟件方式或硬件方式(一對單獨的雙絞線)實現。

3 串行通信板的故障定位和原因分析

數據處理器作為雷達系統的數據處理系統，通過串行接口與多個系統進行數據通信，串行通信板是否正常直接影響到雷達整機的工作。

3.1 串行通信板故障定位

數據處理器選用8串口集成的串行通信板，由異步通信芯片和收發器組成串行通信硬件電路，在CPU模塊控制下，通過PCI總線實現RS-422接口通信，原理框圖如圖3。

圖3 串口通訊板原理框圖

雷達整機調試交驗中，經常會報一個或多個系統串行通信故障。經過分離，對數據處理器單體進行測試，發現串行通信板上的某個或多個接口受損，不能正常工作。最后，故障定位到串行通信板上的串行接口損壞。

3.2 故障原因分析

故障定位后，進一步分析多次出現串行接口損壞的原因。從數據處理器單體和雷達整機兩方面分析原因。

數據處理器單體調試交驗時，使用計算機、8串口板和測試程序組成軟硬件測試系統，模擬其它分系統測試串口通信是否正常。本身不具有高壓、高功率特性，串行接口很少損壞。

雷達整機的調試交驗要在不同環境下完成。環境變化時，串行通信板的接口會受影響。雷達整機工作時，數據處理器與多個系統進行數據通信，影響因素較多，例如數據處理器與發射機通信時，發射機具有高壓、高功率特征，工作時容易發生打火。通常發射機輸出功率越大，末級功率放大管(行波管)所需的工作電壓也越高，發生打火的概率也越大。還有發射機發生打火與環境有關，如潮濕氣候，容易引發高壓打火，燒毀器件。發射機打火時，雖然持續時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓，這種高壓瞬態干擾會給串行通信接口造成嚴重影響。

數據處理器選用RS-422串行傳輸方式，數據信號采用差分方式傳輸，具有一定的抗干擾能力，但是難以應對上千伏高壓瞬態干擾。從電路設計上進行分析，串行通信板雖然實現了RS-422串行通信，但是缺少必要的保護電路。當發射機發生打火時會產生高達上千伏的瞬態電壓，串行接口和通信主電路得不到有效的保護，經常會損壞。因此，需要改進電路設計，增加隔離和旁路相結合的保護電路，降低串行接口損壞的故障率。

4 串行通信板的設計改進

實際應用中，雷達總站不可避免存在高頻的瞬態干擾。為了抵抗瞬態干擾，保護串行通信板，電路設計上增加了由光電耦合器和DC-DC變換器組成隔離保護電路，TVS(瞬態電壓抑制二極管)和PTC(自恢復熔斷器)組成旁路保護電路。原理框圖如圖4所示。

圖4 串行通信板保護電路原理框圖

4.1 隔離保護

隔離保護是將瞬態高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。在串行通信板電路設計上，供電電源、通信信號均需隔離才能起到好的保護效果，采用DC-DC變換器隔離供電電源，光電耦合器隔離通信信號。

4.1.1 電源隔離措施

常用的電源隔離措施是使用DC-DC變換電路或者集成的DC-DC變換器件。通過DC-DC將數據處理器電源和SP485EE收發器的電源隔離;濾除電源上的雜波，防止電源污染。

目前，市面上集成的DC-DC變換器件很多，最終選用MORNSUN公司WRB－ZP-6W系列電源轉換器，該轉換器專門用于線路板上分布式電源系統中，產生一組與輸入電源隔離的電源輸出，向485收發器電路提供+5V電源。該電源采用2:1寬電壓輸入，隔離電壓可達1500V，金屬屏蔽DIP封裝，方便地將系統電源和RS-485收發器的電源隔離。

4.1.2 信號隔離措施

信號隔離常用的器件有光電耦合器［2］(簡稱光耦)。光耦是一種以光為耦合媒介，通過光信號的傳遞來實現輸入與輸出間電隔離的器件，可在電路或系統之間傳輸電信號，同時確保這些電路或系統彼此間的電絕緣。

使用光耦進行信號隔離時，首先光耦輸入端和輸出端的供電電源是分開的，因此當輸入端的電源上有較強干擾時，影響不到輸出端的供電電源，如圖5所示。其次，輸入端到輸出端的信號傳遞是靠光完成的，沒有電磁聯系，并具有單向傳遞的特點，因此，具有理想的電磁隔離性能，能十分有效地防止各種電磁噪聲干擾。光耦除了具有良好的隔離性能，還具有體積小、壽命長、無觸點、既能傳輸交流信號又能傳輸直流信號等優點，因此，被廣泛用于高低壓之間的隔離和控制信號與強電信號之間的隔離。

圖5 光藕供電電路圖

在串行通信板上，使用光耦進行信號隔離，目的是將串行通信接口部分和微型計算機電路在電氣上完全分離，使通信接口的干擾不影響主系統的工作，保證主系統能在復雜的環境下穩定工作。設計電路時，考慮到通信速度，需要選用高速光耦，也就是開/關頻率要滿足通信波特率的16倍以上的才行。由于高速光耦的價格昂貴，所以除了發送、接收主通信信號外的其他MODEM信號都采用普通的低速光藕，MODEM信號是低速的握手信號。實際應用中，用到的通訊速率為115.2kbps，為了滿足通信速度要求，選用 了 SHARP公司高速光耦 PC4D10S，PC4D10S具有雙路輸入輸出，10Mb/s的高傳輸速度，3.75KV的高隔離電壓，使其可方便的應用于與大功率，高壓瞬態干擾的場合。低速光耦選用的是PS2805-4是4通路輸入輸出，5Mb/s的傳輸速度，2.5KV的隔離電壓，亦能滿足要求。

發送信號是通過異步通信芯片16C554［3］串口的發送信號TXD通過緩沖驅動后送至光電耦合器PC4D10S輸入端二極管的負極上，二極管正極與+5V連接，信號經過耦合后從輸出三級管c極接隔離電源的輸出，e極的輸出信號接485發送器的輸入端。發送信號電路圖如圖6所示。

圖6 發送信號電路圖

接收信號是將外部送過來的差分信號經SP485接收器轉換為TTL信號，經過驅動連接到光電耦合隔離器PC4D10S輸入端二極管的負極上，經過耦合信號從三級管c極輸出到異步通信芯片16C554串口的接收信號RXD端。接收信號電路圖如圖7所示。

4.2 旁路保護

旁路保護是利用瞬態抑制元件［4］(如TVS、PTC等)將危害性的瞬態能量旁路到大地。旁路保護主要是保護與外部通信接口電路的安全，使得接口不被外部瞬態干擾破壞。串行通信板上，采用的是TVS(瞬態電壓抑制二極管)和PTC(自恢復熔斷器)相結合組成旁路保護電路。

TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能迅速將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收浪涌功率，使兩極間電壓最大鉗位于10.3V，有效保護電路中元器件免受各種浪涌脈沖損壞。

PTC是正溫度系數的熱敏元件，保護閥值受溫度影響很大，選用過載電流0.75A，最大電流40A的PTC，串聯在電路中。電路工作正常，PTC處于導通狀態。當電路出現過流故障時，PTC自身溫度迅速上升進入高阻狀態，切斷電路中電流，使電路進入保護狀態。故障消失后，PTC冷卻后，又呈現低阻導通狀態。

圖7 接收信號電路圖

圖8 旁路保護電路

電路中TVS吸收外部的浪涌、高壓脈沖群等高壓瞬態干擾信號，使與通信器件相連的信號電平在安全的區間內;PTC用于保護在發生通訊故障或其他的可能導致過負載的情況下，保證接口器件在安全的功率區間工作。簡而言之就是:TVS保證不過壓、PTC保證不過流。旁路保護電路如圖8所示。

在電路保護設計中，隔離接口對大幅度瞬態干擾進行隔離，旁路元件則保護隔離接口不被過高的瞬態電壓擊穿，經過雷達整機環境試驗驗證，將兩種保護措施結合起來運用，串行通信可靠性得到了提高，達到了預期要求。

基于以上分析，進行了多次改進及大量實驗，改進后的串行通信板已經能抵抗瞬態高壓干擾。改進前后試驗統計數據如表1所示。

表1 改進前后試驗統計數據

5 結論

本文主要分析了數據處理器串行通信板出現故障的原因，針對電路設計不足，提出了設計改進方法，即增加隔離和旁路保護電路。改進后串行通信板，對于抑制高壓瞬態干擾(如發射機打火引起的干擾)效果明顯。經過試驗驗證，串行通信板的故障率有了明顯下降，穩定性得到增強。

［1］吳順君，梅曉春.雷達信號處理和數據處理技術［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［2］陳汝全.電子技術常用器件應用手冊［M］.北京:機械工業出版社，1994.

［3］毛永毅.四通道異步收發器ST16C554D及其應用［J］.國外電子元器件，2002，(6):44－47.

［4］張忠連，吳多龍.瞬態電壓抑制器及其應用［J］.科技資訊，2008，10:20－24.