单片机双向并行接口总线的长线传输技术

一、 引言

    单片机并口通信技术具有高速、数据量大、通信协议简单或无需通信协议等固有优点。当采用双向双工并行传输方式时，单片机系统要进行数据交换则要求两套发送、接收设备和线路，将导致器件、线路成本显著上升，这在工程实践中极少应用；而采用双向并口总线进行半双工数据交换时，由于双向总线信号为单端信号，抗干扰能力较差，对单片机系统之间的互连距离有严格的限制，通常只应用于机箱内的互连。寻找侧重于廉价连接方案、能满足机箱外一定互连距离要求的单片机双向并行接口总线的长线传输技术是每一个电路设计工程师都十分关心的课题。因为单向的控制总线信号较容易通过差动长线驱动器/接收器或集电极开路（OC）门驱动等方案实现长线传输，所以本文主要关注于双向的并行地址/数据总线的长线传输问题。

    影响单片机双向总线长线传输可靠性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。需要强调指出的是，虽然针对上述每一个因素的改善措施总会起到一定效果，但并不是，也从来不是上述哪一个因素单独突出而起到主导作用。因此，所有的电磁兼容性（EMC）设计方法都值得认真考虑并加以积极利用。

二、传输线效应及其解决方案

    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1～10 MHz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50～100 MHz时，单板内的总线设计也需考虑传输线效应。

    传输线定义为所有导体及其接地回路的总和。当传输线长度超过最大匹配线长度Lmax时，称为长线。最大匹配线长度Lmax可由式(1)计算：

式中tr为传输信号的前沿时间，单位为ns；

        v为电磁波速度，υ＝（１．４～2）×１０８　ｍ／ｓ；

        k为经验常数，一般取k=4～5。

    例如，取k=4，v=2×10８m/s，求得如表1所示的几组数值：

    还应指出，当负载变重，传输时间延长时，最大匹配线的长度需相应缩短。传输线效应对信号完整性的影响主要表现为：线路阻抗与外接负载不匹配导致的信号反射现象，电路的阻抗会使信号达不到规定的电压幅度。关于传输线理论的详细知识有许多论文、著作可供读者参考，这里只介绍几个与工程实际密切相关的传输线参数。

1. 传输线特性阻抗Z0

    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：

    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。因此，对于计算机系统中传输信号的各类导线，其特性阻抗均不同，参考值如表2所示。

2. 延迟时间

    由传输线效应引起的信号延迟时间：

式中x为传输线的长度。由此可知，导线单位长度内的电感量、电容量越大，导线长度越长，则延迟时间也越长。

3. 反射系数

    信号按一定的速度在传输线路中传输，当输入电压经分布电感、电容一直传输到传输线终端时，此时一般会出现阻抗不连续点，由于电流不能发生突变并有反向感生电动势，因而引起反射波向源端传输。这样，原来的电波与反射波相互重叠，引起波形失真。设Vo为入射电压，VR为反射电压，则电压反射系数：

反射系数直接影响到信号传输的失真度。

    从技术上讲，克服传输线效应主要解决2个问题：一是阻抗匹配，二是长线驱动。能实现终端阻抗匹配的电路方案比较多，各有其优缺点，这里介绍2种在双向接口总线的长线传输（1～5 m）中证明有效的电路方案， 如图1所示。图1（a）中采用的是戴维宁式（Thevenin）并行端接方案，即分压器型端接。戴维宁等效阻抗可表示：
 

    通常其电阻的取值应满足下列条件：

    实际应用中R1和R2的取值可取大一点，从而减少对发送端驱动器的负载要求。此方案可以做到传输线特性阻抗的完全匹配，缺点是要消耗直流功率。在 IEEE－488总线中采用的即是这种匹配方案。某些情况可以使用图1（b）的方案：肖特基二极管或快速开关硅管并行端接，条件是二极管的开关速度必须至少比信号上升时间快4倍以上。在传输线阻抗不好确定的情况下，使用二极管端接即方便又省时。肖特基二极管的低正向电压降Vf（典型值0.3～0.45V）将输入信号钳位到GND－Vf和VCC＋Vf之间，这样就显著减小了信号的过冲（正尖峰）和下冲（负尖峰）。二极管端接的优点在于，二极管替换了需要电阻和电容元件的戴维宁端接或RC端接，通过二极管钳位减小过冲与下冲，不需要进行传输线的精确阻抗匹配。有时也可以只端接一个二极管。[page]

三、总线驱动能力问题及其解决方案

    与一般单片机总线扩展技术中考虑的总线驱动能力问题不同，在用长线电缆实现总线接口连接时也会产生总线驱动能力问题。前者主要考虑的是总线的交、直流负载能力，从而确定总线上允许挂接的负载个数；后者产生的根本原因是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，如图2所示。所以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，晶体管－晶体管逻辑（TTL）电平的单端信号几乎很难在一个输入/输出（I/O）周期内驱动1 m以上（甚至更短）的电缆；而且我们还发现一个有意思的现象，尽管互补金属氧化物半导体（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（5 V）下的高速CMOS（HCMOS）接口器件（主要指缓冲器端）的长线驱动能力却明显地低于TTL接口器件。定性地理解这一现象可解释为，噪声容限大的器件往往产生的噪声也大，CMOS器件属于容性负载，每个引脚有大约10 pF的输入电容，输入阻抗极高，对长线电缆的阻抗不匹配导致的反射现象尤为严重，故抗干扰能力比TTL器件差许多。器件抗干扰能力通常与输入阻抗有关，输入阻抗越低，抗干扰能力越强。

    在通常的总线接口驱动器/缓冲器方案中，例如使用74245芯片作驱动器/缓冲器，要提高长线电缆连接时的总线驱动能力，解决办法主要有2种，一是适当降低传输速率，二是在总线两端加上拉电阻。前者是为了避开容性负载对脉冲前沿的平滑作用和反射波的干扰，这是一个暂态过程；后者是为了提高信号高电平，也起到降低输入阻抗、减小反射波干扰的作用。笔者曾经想利用这种方案在一个I/O周期内实现2 m长电缆的双向并口通信，但失败了。正如前面强调指出的那样，失败原因当然并不仅仅是总线驱动能力问题。成功的实践是使用OC门作驱动器。OC门具有很强的总线驱动能力，它允许输出端直接相连实现“线与”功能。设计难点在于如何把单向驱动改造为双向驱动，图3给出了具体电路方案。

        其工作原理为：数据写出时由地址译码电路的片选信号选通74373锁存器，再由OC门7405驱动至远端缓冲器74244；数据读入时先向74373输出逻辑“0”，使已方OC门置于逻辑高状态，正确实现“线与”功能，再由地址译码选通74244读数。

    图3的方案具有相当的设计启发性，稍加改造就可以适应许多要求高速、大容量双向通信的场合。比如在74LS244侧增加或干脆换成先进先出（FIFO）器件，就可以支持高速、大容量的成块数据交换。

四、电磁干扰及其解决方案

    使用单端信号进行长线电缆传输时，有2种电磁干扰是不能忽视的：线间窜扰和地线噪声。线间窜扰是当2条或多条较长的的导线相平行而又靠得很近时，其中一条导线上的信号将对其它导线产生干扰。线间窜扰是一种近场（即距离干扰源小于的场，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。线间窜扰大多发生在多芯电缆、束捆导线或印制板上的平行导线之间，窜扰强度与相邻两信号线间互阻抗和信号线本身的特性阻抗有关，并与线间距成反比，与线平行长度成正比。对线间窜扰的抑制，一般采用一些常规而有效的方法。当用扁平电缆作连接电缆时，在相邻信号线之间插入地线，可把导线间的耦合电容转化为对地电容；如果窜扰比较严重，还可以使用带双绞线结构的扁平电缆，这种电缆对抑制静电干扰和空间电磁干扰也有效果；也可以考虑采用多股双绞线结构的屏蔽电缆。

    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2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，但对于减小交流阻抗的作用很有限；减小交流阻抗，一个有效的办法是多根地线并联。当2根导线并联时，其总电感：

L=(L1+M)/2      (7)

    式中L1是单根导线的电感；

    M是两根导线之间的互感。

    正是因为地线的交流阻抗特性，使得地线成了电路中事实上的最大噪声源。单端信号的传输长度最终受限于地线长度。抑制地线噪声的最理想的办法是对电缆两侧的电路进行电气隔离。参考文献［２］给出了一种利用高速光耦6N137对MCS－51系列单片机的系统总线进行双向高速隔离的很新颖的方案。但笔者认为这种隔离方案对以双向并行通信为目的应用来说，已基本失去实用价值。因为光耦是单向传输器件，最终隔离的结果将是全双工信道，而并行全双工信道的长线传输方案因技术、器件、线路成本上升很多而在工程上很少应用。所以，对TTL电平的单端信号的双向传输来说，必须严格限制电缆长度，一般不能超过5 m。

五、 结束语

    双机并行通信技术普遍应用于短距、高速、大容量通信场合，但其高速性能受通信距离的影响很大，以更多的技术来实现并行通信长线传输的可靠性和高效性在经济上是得不偿失的。本文针对单片机系统之间的双向并行总线的长线传输问题进行了一些分析和讨论，并给出了几种廉价的解决方案。一般说来，对2 m长的并行通信电缆，数据传输率是完全可以达到500 kbit/s～1 Mbit/s。遵循器件解决的原则，也可以考虑采用并行接口标准器件，如IEEE－1284并行接口标准，这些标准接口器件已集成了端接元件并对连接器、电缆有严格的电气要求。但即使这样，在2 m长的电缆上也很难达到2 Mbit/s的数据传输率。

参考文献

［１］邵时，张汝杰.高速计算机系统中信号可靠传输技术［Ｊ］.微型机与应用，1998，（12）.

［２］刘大健，陈降道.单片机系统总线级的光电隔离［Ｊ］.微型机与应用，

1998，（6）.

［３］张松春，竺子芳，赵秀芬，蒋春宝.电子控制设备抗干扰技术及其应用（第2版）［Ｍ］.北京：机械工业出版社，1995.

［４］王幸之，王雷，翟成等.单片机应用系统抗干扰技术［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1999