串口通信的RE102超差風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)

楊曉

摘要：由于串口通信自身特點(diǎn)，如果在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮設(shè)備的電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)加劇RE102項(xiàng)目測(cè)試超差風(fēng)險(xiǎn)。為使設(shè)備順利通過(guò)測(cè)試，從電磁兼容三要素角度，通過(guò)分析串口通信的干擾原理，采取對(duì)傳輸線纜增強(qiáng)屏蔽，針對(duì)性的對(duì)接口電路進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)的措施，并經(jīng)實(shí)際測(cè)試，證明了應(yīng)對(duì)措施的有效性。

關(guān)鍵詞：串口通信;電磁兼容風(fēng)險(xiǎn);設(shè)備;電磁兼容三要素

中圖分類(lèi)號(hào)：TN03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0023-02

0 引言

串口通信是現(xiàn)行數(shù)據(jù)通信的一種，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間，具有通信線路簡(jiǎn)單、可雙向遠(yuǎn)距離通信、成本低等特點(diǎn)。常見(jiàn)的串口通信電氣接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232、RS-422、RS-485等。

RS-232接口一般用于控制、調(diào)試或者產(chǎn)品內(nèi)部模塊與主板之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，RS-422以及RS-485一般用于大型系統(tǒng)中多個(gè)產(chǎn)品之間的互連通信。

串口通信設(shè)備在依照GJB151A/B系列標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行電磁兼容測(cè)試時(shí)，超差風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在CE102、RE102、CS115、CS116、ESD等項(xiàng)目上。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外針對(duì)串口通信設(shè)備CE102超差風(fēng)險(xiǎn)，一般采取加裝電源濾波器，針對(duì)CS115、CS116、ESD項(xiàng)目采用在接口電路中增加隔離、增加TVS管的方式進(jìn)行消除。對(duì)于RE102項(xiàng)目，由于擔(dān)心采用濾波電路會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑颍瑳](méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行濾波電路設(shè)計(jì)，但往往由于串口通信電路、電氣結(jié)構(gòu)等因素，存在較高的超差風(fēng)險(xiǎn)。

1 RE102超差風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 串口通信電路

以串口信號(hào)通信的系統(tǒng)典型交聯(lián)圖見(jiàn)圖1，其中大氣傳感器和溫度傳感器的信號(hào)，通過(guò)串口服務(wù)器，轉(zhuǎn)換成RS-232串口信號(hào)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備不同信號(hào)類(lèi)型之間的遠(yuǎn)距離互連互通。

從電磁兼容三要素中的干擾源來(lái)講，串口通信電路的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)、波特率發(fā)生器分頻后的時(shí)域方波信號(hào)，用于A/D轉(zhuǎn)換的FPGA以及電壓轉(zhuǎn)化匹配電路中的DC/DC開(kāi)關(guān)頻率等，都是造成RE102超差的干擾源。常用的異步接收/發(fā)送裝置，如PC16550AFN芯片，內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)為12MHz，內(nèi)含波特率發(fā)生器。

1.2 傳輸速率

串口通信線上自身的信號(hào)傳輸也可能成為干擾源，其干擾信號(hào)從頻域上講，和線纜上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈视嘘P(guān)。傳輸速率即波特率與芯片時(shí)鐘的關(guān)系為：

波特率=芯片時(shí)鐘/（波特率因子×16）;

其中波特率因子也是計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)，16為采樣時(shí)鐘，即1bit采樣16次。

RS-232接口在20kb/s傳輸數(shù)率下，通過(guò)示波器可以看到電纜上存在著20kHz頻率的時(shí)域方波信號(hào)，RS-422和RS-485類(lèi)似。

1.3 電氣結(jié)構(gòu)

串口通信常見(jiàn)接口為DB9，接口部分為金屬，雖有兩個(gè)金屬螺釘進(jìn)行緊固，但與線纜連接的轉(zhuǎn)換部分大多數(shù)為塑料材質(zhì)，這樣在電氣結(jié)構(gòu)上就不滿(mǎn)足電連續(xù)性，為干擾源的泄露提供了良好的傳輸路徑。

1.4 傳輸電纜

串口信號(hào)傳輸電纜也可作為干擾源的傳輸路徑。如果使用普通導(dǎo)線作為串口信號(hào)傳輸路徑，則該導(dǎo)線為理想的偶極子天線，其輻射效率與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系為1/2λ。RS-232串口通信傳輸線理論上最長(zhǎng)為15m，信號(hào)仍會(huì)在15m線纜上輻射出來(lái)。

2 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)串口通信設(shè)備以上RE102測(cè)試超差風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)工程實(shí)踐證明，可以根據(jù)串口通信的實(shí)際傳輸數(shù)率，在電路設(shè)計(jì)上采取濾波電路設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行處理。由于濾波在一定程度上引起傳輸信號(hào)的變形，因此濾波參數(shù)需要針對(duì)性的進(jìn)行選取。在濾波參數(shù)選取不當(dāng)時(shí)，特別是選取的濾波電容過(guò)大，雖然在RE102測(cè)試上雖然會(huì)帶來(lái)更低的頻率抑制，但會(huì)增大誤碼率，甚至嚴(yán)重的會(huì)引起串口通信功能的不正常。此時(shí)，通過(guò)示波器觀察串口通信信號(hào)時(shí)域波形，會(huì)看到方波信號(hào)變?yōu)檫呇剌^為平滑的波形。

因此，針對(duì)濾波電容參數(shù)的選取，需要留有一定裕量，一般在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，參數(shù)減小一半或者一個(gè)量級(jí)。

另外，RS-232接口電氣特性為不平衡雙向接口，RS-422、RS-485為平衡雙向接口，這造成了濾波電路上的差異。RS-232采用LC濾波）其中的L和C的參數(shù)需要根據(jù)RS-232實(shí)際傳輸速率進(jìn)行選取，傳輸數(shù)率越高，L、C參數(shù)應(yīng)越小。若傳輸速率為20kb/s，L一般選500Ω/100MHz，C選200pF即可達(dá)到對(duì)高頻干擾信號(hào)的濾除。RS-422/485則一般選用共模扼流圈的形式進(jìn)行濾波。此電路也可在靠近連接器端串連安裝如TVS管的浪涌保護(hù)器件，防止接口被ESD或浪涌信號(hào)損壞，如圖2所示。

對(duì)于通信線纜上傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)，只能對(duì)傳輸電纜進(jìn)行處理，即采用帶屏蔽的絞型導(dǎo)線作為串口信號(hào)傳輸線路。出于此目的，串口通信線一般選用屏蔽雙絞或三絞線的形式。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)連接如圖1的設(shè)備，經(jīng)測(cè)試，主要在頻段2MHz～30MHz超標(biāo)。檢查發(fā)現(xiàn)其串口接口采用的塑料材質(zhì)，傳輸線纜雖為屏蔽雙絞，但在接口處屏蔽層未實(shí)現(xiàn)360°搭接。對(duì)于串口傳輸線纜兩端，將雙絞屏蔽線的屏蔽層剝出并用鋁箔進(jìn)行包裹后再進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果滿(mǎn)足要求，但裕量不多。

為進(jìn)一步提高該設(shè)備的RE102水平，根據(jù)圖3對(duì)接口電路進(jìn)行濾波處理。了解到傳輸線路中最大信號(hào)傳輸速率為9600b/s，在線纜上加裝L為500Ω/100MHz、C為0.001μF的濾波電路，在確定不影響裝備正常工作后測(cè)試，結(jié)果合格且有較大裕量，其中黑色曲線為未處理前，綠色曲線為濾波處理后。

4 結(jié)語(yǔ)

串口通信的濾波和屏蔽設(shè)計(jì)在裝備設(shè)計(jì)中常常被忽略，通常使用民品電路及接口設(shè)計(jì)。但由于裝備的特殊性，需要滿(mǎn)足更嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，因此電磁兼容要求也較民品更高，這樣就可能出現(xiàn)不滿(mǎn)足GJB151要求的情況。民用常規(guī)串口接口形式已經(jīng)不能滿(mǎn)足裝備的電磁兼容需求，而用屏蔽圓形連接器替代。串口通信的濾波設(shè)計(jì)則需要設(shè)計(jì)人員對(duì)串口通信信號(hào)實(shí)際傳輸速率選取合適的濾波參數(shù)，避免造成影響正常信號(hào)傳輸或者濾波不夠而引起電磁兼容測(cè)試仍然不合格的情況。