星型拓撲RS422信號傳輸特性研究?

段曉超,段玲琳,李化雷

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.通航飛控實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

RS422標準的全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”,由美國電子工業協會(EIA)制定并發布。作為一種業界最常用的串行數據通信接口標準,其具有抗共模干擾能力強、驅動能力強、傳輸距離遠、支持總線傳輸、信號容差性好等諸多優點,目前被廣泛應用在多種工控數據通信場合。對于RS422傳輸電路,標準給出的經典拓撲連接方式為鏈式結構。但在某些特定的應用場合,如對含有多個固態組件的雷達發射機實施監控[1],由于受多個接收端的物理位置、接收端電路的一致性要求、可靠性設計和失效影響分析等因素所限,工程中無法順利使用經典的鏈式拓撲結構,而不得不使用星型拓撲結構形式。本文就如何有效使用RS422的星型拓撲連接方式給出必要的參數選取和試驗結果。

1 傳輸原理

之所以存在不同拓撲結構會影響信號傳輸特性的問題,是因為電路收發端之間總是需要傳輸線進行信號連接,進而產生了信號的傳輸線效應,特別是對數據率高的信號尤為明顯。

1.1 傳輸線特征阻抗

對于特性單一均勻的傳輸線,可以等效成無數個微電阻、電感和電容串并聯組成的電路模型,如圖1所示[2]。

圖1 傳輸線等效電路模型

圖示電路的輸入阻抗Z0為

可以求出：

對于低損耗的傳輸線,其電阻損耗Z很小,主要表現為感抗特性;線間電導Y主要表現為容性阻抗,故Z可以簡化成微電感(即L→0),Y可以簡化成微電容(即C→0),求極限后得

從式(3)可以看出,傳輸線的特征阻抗Z0只與其制造材料和成型工藝有關,而與傳輸線的長短無關,概念上也不同于傳輸線的直流歐姆阻抗R0。

1.2 反射特性

為了研究信號的傳輸特性,還需要推導出反射系數和傳輸線特征阻抗之間的關系,如圖2所示。

圖2 電路反射特性模型

由圖2可知：

從式(5)可以看出,只有當ZL=Z0時反射系數才等于0。否則必然存在反射波,即入射波的能量沒有被負載完全吸收,反射回來的信號勢必疊加影響入射波,使波形進一步惡化。反射是造成信號波形上沖、下沖和振鈴的直接原因,是高速數字電路中最常見的信號完整性問題。

對于RS422傳輸電路,標準給出的經典拓撲連接方式為如圖3所示的鏈式結構。從圖中看出在同時連接多個接收器的應用場合時,需要在最后一個接收器前端并接一個終端匹配電阻RT,同時要求中間接收器的分叉線長度Lstub盡可能短[3]。

圖3 經典RS422拓撲連接圖

在接口芯片的用戶資料或設計指導手冊上,一般還會特別強調不推薦用戶采取星型結構和環型結構,因為這兩種拓撲結構破壞了傳輸線匹配特性,對保證傳輸信號的信號完整性非常不利[4]。

2 試驗條件

為了深入研究RS422信號的傳輸特性,特地設計了專門的試驗電路進行實際測試,使用到的元器件和材料參數如下：

驅動器：型號JS26C31BD,高電平輸出阻抗約為9Ω,低電平輸出阻抗約為7Ω[5],試驗中取平均值8Ω進行計算。

接收器：型號JS26C32BD,輸入阻抗在4～20 kΩ之間[6],試驗中取10 kΩ計算。

傳輸線：AWG26雙絞線,差分阻抗和單端阻抗均約為120Ω。

傳輸信號：最高頻率為5 MHz的時鐘方波信號。

2.1 鏈式拓撲試驗

鏈式拓撲是標準推薦的RS422經典拓撲結構,如圖3所示,只要保證各分支的抽頭長度Lstub盡量短就可以獲得理想的波形。各分支的抽頭長度應滿足如下公式：

式中,tr為信號的上升沿時間,c為光速。例如,在上述試驗中波形的上升沿時間為10 ns,則抽頭長度最大不應超過45 cm。圖4為收端匹配電阻時驅動器正端和接收器正端的實測波形圖。

從圖4中可以看出,波形的上升/下降時間均在10 ns以內,過沖約為1 V,這在差分電路中不會引起問題。經計算,接收端的匹配電阻上約產生0.15 W左右的熱耗,這對驅動器端的熱設計和長期運行的可靠性都非常不利。

圖4 鏈狀結構試驗波形圖

2.2 發端串聯匹配

發端匹配是一種將匹配電阻串接在RS422發送端的匹配方式,如圖5所示。

圖5 發端匹配電路圖

圖中RS的選取為120Ω。這樣,從驅動器端輸出的信號將以半幅度進行傳播,由于接收端呈高阻態,反射系數約等于1,信號在發端將疊加到滿幅,發射波達到驅動器后也不再繼續反射。但此種匹配方式的缺點是必須保證傳輸線延時遠小于信號的碼元周期。如果電信號在雙絞線中的傳輸速度為0.6c(c為光速),則2 m傳輸線的往返延時約為22 ns。為了保證傳輸信號的完整性,信號的理論最高頻率為22.7 M Hz,但限于收發端芯片性能的限制,工程中不可能達到如此高的傳輸頻率。

5 MHz信號的理論最遠傳輸距離為9 m。圖6給出了點對點2 m傳輸線長時的實測波形圖,在接收端波形的邊沿特性及單調性保持仍較理想,上升/下降沿時間依然在10 ns以內,滿足工程使用要求。

顯然,采取發端匹配時匹配電阻的功耗僅幾十微瓦,比收端匹配要小得多。

圖6 點對點發端匹配波形圖

2.3 星型拓撲連接方式

在使用星型拓撲連接方式時,當然在每個接收器端分別并接匹配電阻RT可以有效保證接收端的信號完整性,但此時驅動器端的輸出驅動電流將大到器件不能接受。根據2.2節的分析試驗結果,考慮使用發端匹配技術。同時考慮到不同路徑的反射波疊加效應,下面重點研究4分支星型拓撲結構中分支等長的應用情況,如圖7所示。

圖7 4分支星型拓撲發端匹配等長分支圖

根據傳輸線理論,對于4分支的發端匹配連接,電阻RS的選取應滿足條件：

式中,R0為驅動器的輸出阻抗。據此計算,RS的理論值為88Ω。由于4路接收器存在較大的并聯電容,當傳輸線長度L為2 m±5 cm時,經過反復試驗驗證,RS的取值為120Ω時波形質量最理想,試驗實測波形如圖8所示。

圖8 4分支星型拓撲發端匹配等長分支波形圖

從圖中可以看出,接收端(1通道)的波形質量比發送端(2通道)略好,測量兩者波形的上升/下降沿,分別約為20 ns和25 ns,但相比點對點的發端匹配電路,收發端波形的邊沿均有所惡化,但依然可以滿足工程應用要求。

進一步的試驗證明,當4條傳輸線的長度不相等時,特別是長度差大于50 cm后,收發端的波形均有明顯惡化,5 MHz頻率下的通信誤碼率明顯提高,已不適合工程應用。

為了得出接收端數量增多會進一步惡化通信效果的結論,又進行了8分支2 m等長分支的試驗。按照式(7)的要求并經試驗驗證,RS取值75Ω為宜。此時收發端的波形前后沿均較4分支(圖8)有進一步惡化,并出現較明顯的抖動,但仍可滿足通信誤碼率要求,可以在工程中應用。

3 結束語

綜合以上理論分析和試驗數據,說明RS422信號在合理的電參數設計條件下可以使用星型拓撲結構,但為了保證信號完整性和傳輸誤碼率,應滿足以下約束條件：(1)使用發端匹配電路,且各分支的傳輸線特征阻抗和接收器輸入阻抗特性必須相同,傳輸線長度差應控制在5 cm以內;(2)不得用于長線傳輸,如5 MHz傳輸速率時建議分支長度不大于5 m;(3)發端匹配電阻RS按式(7)的原則進行選取,可適當放大阻值;(4)接收端數量建議不大于8個,且越少越有利于保證收發端波形質量;(5)PCB設計時要求差分線等長,印制線對參考平面的特征阻抗為120Ω±10%,線間緊耦合,線間距為1倍線寬;(6)各收發端有效共地,嚴禁信號浮地傳輸。

[1]李冬芳,崔忠林.基于串行總線和分布式測控的發射監控系統[J].雷達科學與技術,2006,4(6)：382-386.LI Dongfang,CUI Zhonglin.A Transmit Monitoring System Based on Seria Bus and Distributed Measurement and Control[J].Radar Science and Technology,2006,4(6)：382-386.(in Chinese)

[2]朱亞地.高速PCB信號反射及串擾仿真分析[D].西安：西安電子科技大學,2012.

[3]SOLTERO M,ZHANG J,COCKRIL C.RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations[R].Dallas,Texas：Texas Instruments,2010：14-15.

[4]劉健.提高串行總線的可靠性[J].硅谷,2010(6)：34-36.

[5]JS26C31四路差分驅動器技術說明書[Z].無錫：中國電子科技集團公司第五十八研究所,2013：5-6.

[6]JS26C32四路差分接收器技術說明書[Z].無錫：中國電子科技集團公司第五十八研究所,2013：5.