光电设备中并行数据接口分析
摘要：本文研究了光电跟踪仪采控单元和加固机之间的并行接口电路情况，分析了信号长线传输的干扰因素，并给出了相应的抗干扰措施。最后提出了采用光电隔离器件的并口隔离实施方案，并进行了实验验证。
关键词：并行数据接口;长线传输;光电隔离;光电设备
引言
并行数据接口是光电设备中常用的通讯接口，与其相对应的串行接口相比，具有传输速度快、信息率高等特点。但是，由于并行通信所用的电缆较多，在长距离传输时，电缆的损耗会成为突出的问题，所以并行通讯适用于数据传输率较高，而传输距离较短的场合。本文研究的并行接口电路是光电跟踪仪主体的采控单元和操控计算机军用加固主机之间的通讯接口。
并行接口电路情况
本文中并行接口电路需要完成采控单元与加固机之间的方位/俯仰信息传输。图1为系统原理图。从图中可以看出，系统由光电设备通讯接口板和光电跟踪仪加固机80/519模块两部分组成，其间的通讯距离大约有15m~20m。通讯接口板采用了8031单片机系统，并行接口电路由2K×16位的双端口RAM IDT7132和两片八双向总线发送器/接收器54LS245组成。80/519模块由可编程并行接口8255A实现并口数据的可编程控制，接口驱动电路使用了MD8287(A口)和54LS37(B、C口)芯片。
图1 并行接口系统原理图
单片机在一定的定时时序控制下，将8位数据锁存入双口RAM的对应地址单元。一方面，8255A发送地址到IDT7132，读取其中的数据量;另一方面，8255A向IDT7132写地址，并向其中发送控制字节。8255A的A口传输8位双向数据，B口的PB[0…4]传输5位地址，PC0、PC1传输两位控制信号。这里，数据信号是双向传输的，地址和控制信号则由可编程并行接口写入双口RAM。MD8287的端控制数据传输方向为：当端由跨接线连接到高电平时，数据传递方向由A0~A7至B0~B7;反之，当连接到信号地时，数据传输方向由B0~B7至A0~A7。
根据GJB422-88对舰艇火力控制系统数字数据输入/输出接口的规定要求，光电跟踪仪加固机所使用的并行接口数据通讯属Ⅰ类接口。为了获得尽可能高的可靠性，双向并行数据总线的长线传输技术是必须关注的。
信号长线传输干扰分析
在科研单板调试中，通过反复调整，并行接口电路可满足系统要求。但在批量生产阶段，由于某些元器件已经停产或批次不同等原因，造成很高的误码率，有时甚至无法正常通信，批量调试不但十分困难，也难以完成。分析其原因，主要是由于长线传输造成的影响。在本系统中，信号传输距离有15m~20m，属长线传输。这里所谓“长线”是相对于数据的传输速度而言的。信号在长线中传输时，不仅存在着传输延迟，而且会使信号畸变，并引入一些有害的干扰，使信号无法远距离传输。限制数据长距离传输的因素主要有传输线效应、总线驱动能力和电磁干扰(EMI)，它们均可简单归结为信号完整性问题。
传输线效应
按照电路分析的原理，当导线长度接近传输的波长时，不能再视其为一条普通的导线，而应视为长线，需用传输线的理论去分析。在接口技术中，当总线长度和波长可比拟时，也须把它视作长线，考虑作为传输线带来的影响，即所谓传输线效应。经验证明：时钟频率为1MHz~10MHz时，在单板内的总线传输效应可不计，但板与板、箱与箱之间的传输线效应必须考虑;当时钟频率为50MHz~100MHz时，单板内的总线设计也需考虑传输线效应。
传输线可看作是由分布电感和分布电容所组成，其特性阻抗可表示为：
式中L0、C0是单位长度传输线的分布电感和分布电容，它们与导线的结构、导磁率及介电常数有关。
在实际使用时，考虑驱动传输线的特性阻抗需在100W~180W之间，如果传输线超出标准要求就可能会导致发送端输出的电信号到达接收端后不能满足接收芯片的要求，这时需要在接收端采取匹配措施，即在传输线终端接一个阻抗为Z0的负载，保证数据的收发在标准的范围内正常传输。
总线驱动能力
在用长线电缆实现总线接口连接时，由于长线电缆本身表现为高容性负载(分布电感的影响很小，一般不予考虑)，在有限电流的驱动下，信号在电缆一端传送到另一端时，就会产生明显的信号衰减和畸变现象。用长线电缆实现总线驱动时，主要考虑的是长线本身作为负载对总线驱动能力的要求。
工程实践中发现，尽管CMOS逻辑电平的抗干扰噪声容限明显高于TTL电平，但相同电源电压(5V)下，缓冲器端高速CMOS(HCMOS)接口器件的长线驱动能力却明显地低于TTL接口器件。在通常的总线接口驱动器/缓冲器方案中，提高长线电缆连接时的总线驱动能力的办法主要有两种：一是适当降低传输速率，二是在总线两端增加上拉电阻。
电磁干扰
使用单端信号进行长线电缆传输时，有两种电磁干扰是不能忽视的：线间窜扰和地线噪声。线间窜扰是一种近场(即距离干扰源小于λ的场，其中λ为电磁波长)耦合干扰，受扰线上的影响来源于传输线间的分布电容和分布电感引起的电磁耦合对线间窜扰的抑制，对这种情况采用多股双绞线结构的屏蔽电缆，可把导线间的耦合电容转化为对地电容，对抑制静电干扰和空间电磁干扰也有效果。
地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。增加地线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，而要减小交流阻抗，一个有效的办法则是多根地线并联。
正是因为地线的交流阻抗特性，使得地线成了事实上电路中的最大噪声源。单端信号的传输长度最终受限于地线长度。抑制地线噪声最理想的办法是对电缆两侧的电路进行电气隔离。
并口隔离实施方案及验证
如果在数据的收发端采用光电隔离器件进行传输，可以从两方面改善传输电缆中的电信号，一是电信号可以为24V的电压，二是光电隔离器件可以提高驱动能力。
在本系统中，选用TLP523-4型光电隔离器件，把16RMCS 80/519模块的并口、光电设备通讯接口均更改为光电隔离方式以保证通讯正常，并口隔离电路如图2所示。该电路只示意了一路A口隔离逻辑的输出(这里均指80/519模块→通讯接口板)，A口输入与B、C口输出逻辑与其完全类似。在并口隔离电路中，A口隔离逻辑配置为双向，完成八路数据PA[0…7]的读写操作;B口配置为五路地址信号PB[0…4] 和三路控制信号PC[0…2]的输出;C口的PC0控制A口输入/输出方向，PC1控制B口输出是否有效。原并行接口电路中的接口驱动电路由三片八缓冲器/线驱动器/线接收器54LS244替代，一片完成八位数据的读操作;一片完成八位数据的写操作，由IDT7132的控制信号RWR决定读写时序;另一片54LS244完成五位地址和三个控制信号RDR、RWR、CER的传输。
图2 并口隔离电路
光电隔离、非光电并口通讯验证情况如图3所示。将两个调试台的A口的A0~A7互连作为通信数据线，C口的C0互连作为通信控制信号，分别将两块光电隔离并口模块对应插在两个调试台上，在DOS操作系统下运行通讯测试程序(调试台1发数据，调试台2收数据，数据发送时间间隔为10ms)，调试台2接收数据正常;取下光电隔离并口模块，然后将两块非光电隔离并口模块对应插在两个调试台上，在DOS操作系统下运行相同通讯测试程序，调试台2接收不到调试台1发送的数据。
图3 并口通讯验证实验
结语
并行通信技术普遍应用于短距、高速、大容量的通信场合，但其高速性能受通信距离的影响很大。本系统采用的并口隔离实施方案较好地解决了传输中传感器信号长线传输的干扰问题，提高了数字波形质量，实现了并行通信长线传输的可靠性和高效性。■
参考文献
1. 李劲.单片机双向并行接口总线的长线传输技术[J].电讯技术，2002，(1)：55-58
2. TOSHIBA Photocoupler GaAs Ired & Photo-Transistor: TLP523, TLP523-2, TLP523-4 [EB/OL]. TOSHIBA, [2002-09-25]