FTT-10A收发器及其在测控系统中的应用

摘要：介绍了Echelon公司的双绞线收发器FTT-10A的性能特点，给出了将FTT-10A双绞线收发器应用于单片机构成的测控系统中，提高远程通信可靠性的具体应用方法。 关键词：FTT-10A；同步；曼彻斯特编码；拓扑结构 以单片机为主体构成的测控系统，由于其结构简单、工作稳定可靠，而在工业控制、智能测试设备等领域得到了广泛应用。随着计算机、通信、网络、控制技术及微处理器的发展，用户还可以将微处理器嵌入到各种仪器设备中， 再利用微处理器的通信端口将现场采集的数据上传给上位机，由上位机对数据进行处理并监控现场的各种智能仪器和设备。 一般的单片机都集成了串行通信口，这些串行通信口可以通过ＲＳ４８５总线或其它的总线方式组成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接在一起，形成分布式测控系统。这种结构具有简单灵活且易于控制等特点，但是要安全可靠地实现数据的传输，还要在智能仪器设备上配备合适的通讯接口。一般可选择ＲＳ２３２、ＲＳ４２２、ＲＳ４８５等接口电路。有关这些接口电路的应用介绍已经很多，而本文要介绍的是ＥＣＨＥＬＯＮ公司生产的双绞线收发器ＦＴＴ－１０Ａ，它可以在微处理器通信端口和物理介质间提供一个物理接口。 １　ＦＴＴ－１０Ａ收发器的性能 ＦＴＴ－１０Ａ收发器主要由一个隔离变压器和一个差分曼彻斯特编码器组成。其引脚排列如图１所示。它由５Ｖ电源供电。ＮＥＴ－Ａ、ＮＥＴ－Ｂ是两个网络接口，此接口没有极性要求。ＲＸＤ、ＴＸＤ分别是数据接收和发送端口，ＣＬＫ为收发器时钟输入端，Ｔ１、Ｔ２则用来提供钳位和瞬时电压保护。 收发器所带的变压器隔离接口可满足系统的高性能、高共模隔离，同时具有隔离噪声作用，可防止干扰信号进入传输网络中。它支持无极性自由拓扑结构，从而可使系统安装不再局限于总线结构。也就是说，此收发器支持星型、环型接线。自由拓扑结构通过最简单的接线方式减少了系统安装的时间和费用，从而可使任务以最快的方式完成。由于减少了对通信线的拓扑、接合和节点位置的限制，因而使得网络更易于扩展。两个ＦＴＴ－１０Ａ收发器还可以背靠背用作数字式重复器，同时可在一个信道上增加传输距离或节点数量。 ＦＴＴ－１０Ａ的通信速率一般为７８ｋｂｐｓ但用于自由拓扑结构时，通信距离较短（只有５００米），而采用双端总线结构时却有２７００米。它可工作在５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ或２０ＭＨｚ频率下，并可自动进行时钟检测。 ＦＴＴ－１０Ａ使用的编码方式是差分曼彻斯特编码，其编码规律如下： ●每个码元中间时刻均有电平变化。 ●“１”表示电平在中间由高到低；“０”表示电平在中间由低到高。 这种编码的特点是：每比特中间的跳变可做同步使用，数据的表现依据其开始是否变化来决定，出现跳变时为“０”，没有跳变时为“１”。这种编码所提供的数据格式使得数据可在多种媒介中传输。图２所示是其编码的过程和波形。从图中也可看出：在信号位中间总是将信号反相，这就是差分曼彻斯特编码对信号的极性不敏感的原因，所以通信链路中的极性变化不会影响数据的接收。这一点对于远程通信很有用。 ２ ＦＴＴ－１０Ａ和ＭＣＵ组成的测控系统 因为ＦＴＴ－１０Ａ可保证可靠的数据传输，因此，它可广泛地应用于控制网络中。但目前主要是在基于ＮＥＵＲＯＮ芯片的控制系统中将ＦＴＴ－１０Ａ的ＴＸＤ、ＲＸＤ分别与神经元芯片的通信端口ＣＰ１、ＣＰ０相连。根据它的特性及其自身结构的特点，可将其应用于一般的单片机控制系统中，以提高单片机远程通信的可靠性。 数据一般是以数字信号的形式来传输的。随着距离的增加和信号传输速率的提高，特别是当高速变化的信号在长线中传输时，由于阻抗的不匹配，而可能会出现反射现象，从而导致信号波形发生改变，或出现有害干扰脉冲而使信号传输的可靠性受到影响。在传统的控制系统中，一般采用总线拓扑结构（如ＲＳ－４８５），并通过屏蔽的双绞线将一个线路的接收和发送控制连在一起，按照ＲＳ－４８５规范，所有的设备必须通过总线相连，以限制线路反射和确保通信可靠，但这却增加了整个网络安装和维护的时间和费用。而ＦＴＴ－１０Ａ收发器则恰好克服了上述缺点，且可降低安装和维护费用，同时也便于灵活组网。 由于ＦＴＴ－１０Ａ使用的是曼彻斯特编码方式，这种编码方式自带信号传送的同步信息，因此，ＦＴＴ－１０Ａ以自同步的方式来进行数据的传输。而一般的单片机（如ＭＣＳ－５１系列单片机）自带的是异步串行通信端口，这样，若想将ＦＴＴ－１０Ａ收发器与此类单片机相连并实现通信，则必须加一转换电路，也可用专门的芯片（如Ｉｎｔｌ８２５１）在ＭＣＵ与ＦＴＴ－１０Ａ之间进行转换，以保证做到同步串行通信。８２５１作为串行通信的扩展接口芯片，它具有同步和异步两种工作方式（可通过编程来决定）。在同步方式时，每字符占５～８位，可以内同步，也可外同步。同步发送时，发送器最先发送的是同步字符（ＳＹＮ）随后通过单片机数据线将数据并行送入８２５１并经过８２５１的发送器将数据以串行形式输出，这时发送的数据不用附加任何成帧信号。而在同步接收时，它首先搜索同步字，并与预先存放的同步字符相比较，以确认是否达到同步。因此可根据８２５１与ＦＴＴ－１０Ａ收发器的结构特点，将ＦＴＴ－１０Ａ的ＲＸＤ、ＴＸＤ分别与８２５１的ＴＸＤ、ＲＸＤ相接。具体实现信号传输的硬件电路简图如图３所示，它们的时钟均可由单片机经过组合后获得。 在ＲＳ－４８５所组成的测控系统中，由于ＲＳ－４８５总线信号是由有极性的差分信号来传输的，因而不能反接，这在通讯距离较远或网络上节点较多时会给接线带来很多的麻烦，甚至会影响信号的正常传输。因此，设计时可利用ＦＴＴ－１０Ａ支持无极性拓扑结构这一特点，在单片机与ＲＳ－４８５驱动芯片之间用ＦＴＴ－１０Ａ收发器将极性信号进行曼彻斯特编码，从而使调制后的信号对极性无要求，便于远程传输。同时在网络安装和维护上也能够节省大量的时间和费用。由此可见，利用这一方案应该是很有实用价值的。