開關(guān)量信號遠(yuǎn)距離有線傳輸裝置設(shè)計(jì)

柏兆飛

（南京蘇河電子科技有限責(zé)任公司,南京 210000）

0 引言

基于微處理器應(yīng)用系統(tǒng)中，常常會遇到遠(yuǎn)程開關(guān)量的輸入問題。開關(guān)量進(jìn)行長距離傳輸時(shí)，一方面容易受到外界的電磁干擾，導(dǎo)致傳輸信號發(fā)生畸變或失真；另一方面開關(guān)量通過長電纜單端接入微處理器，由于電纜的線路阻抗與電壓降，限制了該電纜的距離。本文采用RS485總線作為開關(guān)量信號輸入信道，一方面RS485總線的差分通訊方式可以抑制外界干擾信號，提高傳輸質(zhì)量；另一方面，由于開關(guān)量信號采用低頻信號傳輸，可以在相同條件下大大提高其傳輸距離。通過在輸入設(shè)備端增加光電隔離設(shè)備及軟件上采取相應(yīng)的防抖動(dòng)等措施，完全可以保證通訊正確率。實(shí)驗(yàn)證明，采用該種措施可以確保開關(guān)量信號在3000m長度的帶屏蔽雙絞線(0.56mm/24AWG)上無誤碼傳輸。

采用RS485總線作為傳輸信道，在通常的應(yīng)用方式中，信號輸出設(shè)備端與輸入設(shè)備端均需有微處理器，而當(dāng)信號輸出設(shè)備端的開關(guān)量很少時(shí)(例如只有一路開關(guān)信號)，用微處理器控制RS485通訊，一方面會增加設(shè)備成本；另一方面因?yàn)槲⑻幚砥魇闺娐窂?fù)雜數(shù)倍，又需要在微處理器中寫入軟件，所以也會大大增加維護(hù)成本。而本文采用RS485收發(fā)自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，可以省去輸出設(shè)備端的微處理器。且由于RS485具有雙向通訊功能，可以將輸入設(shè)備接收到的狀態(tài)反饋至輸出設(shè)備端。這是本設(shè)計(jì)的另一大特色。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

1.1 輸出設(shè)備電路原理

C1、R1和R0構(gòu)成去抖動(dòng)電路，其實(shí)質(zhì)是RC充放電電路。在開關(guān)K閉合過程中，電容C1通過R0有一個(gè)放電過程；在開關(guān)K斷開過程中，電容C1通過R1和R0有一個(gè)充電過程。充放電過程可以消除開關(guān)K在閉合與斷開過程的抖動(dòng)。

A7、A8為NE555芯片，兩個(gè)芯片均構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)開關(guān)K由斷開變成閉合時(shí)，A點(diǎn)電平由高變低產(chǎn)生下降沿信號，經(jīng)C2、R2構(gòu)成的微分電路將下降沿信號變成寬約1的窄脈沖去觸發(fā)A8的T腳使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，在F腳上輸出時(shí)長t=1.1R6C6的高電平；當(dāng)開關(guān)K由閉合變成斷開時(shí)，A點(diǎn)電平由低變高，經(jīng)非門A5反向后產(chǎn)生由高到低的下降沿信號，經(jīng)C4、R4構(gòu)成的微分電路將下降沿信號變成寬約1的窄脈沖去觸發(fā)A7的T腳使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，在F腳上輸出時(shí)長t=1.1R5C5的高電平。綜上所述，當(dāng)開關(guān)K發(fā)生變位時(shí)，A7、A8其中之一會輸出一段高電平脈沖，經(jīng)或門A1后，將該高電平脈沖加在RS485的控制端，使其處于發(fā)送狀態(tài)。微分電路的作用是確保下跳沿能觸發(fā)NE555單穩(wěn)態(tài)電路，而避免上跳沿造成誤觸發(fā)。

CD4060構(gòu)成方波發(fā)生器，其基準(zhǔn)頻率為32.768KHz，Q5經(jīng)32分頻后輸出1KHz頻率，Q6經(jīng)64分頻后輸出512Hz頻率。當(dāng)開關(guān)K處于斷開狀態(tài)時(shí)，與門A2允許輸出；當(dāng)開關(guān)K處于閉合狀態(tài)時(shí)，或門A3允許輸出。因此在任何情況下，或門A4只可能有一種頻率輸出，輸出的頻率接至RS485芯片的發(fā)送端。

當(dāng)開關(guān)K沒有變位時(shí)，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路均處于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出低電平，經(jīng)或門A1后輸出低電平加在RS485芯片的控制端，RS485芯片處于接收狀態(tài)。若開關(guān)K有變位時(shí)，根據(jù)上面的分析，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路之一會進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)輸出高電平，經(jīng)A1輸出高電平加在RS485芯片的控制端，使RS485芯片暫時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)，并將發(fā)送端DI的頻率送至總線：當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)，發(fā)送的頻率為512Hz；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，發(fā)送頻率為1KHz。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)結(jié)束后，RS485芯片的控制端重新變成低電平，返回至接收狀態(tài)，等待接收來自輸入端的信息。

C3、R3構(gòu)成去毛刺電路并接在RS485芯片接收端，當(dāng)RS485總線上受到電磁干擾使接收端出現(xiàn)小毛刺時(shí)可以被濾除。在接收端接有發(fā)光二極管，用以指示開關(guān)K是否發(fā)生了變位，當(dāng)接收端收到低電平信號時(shí)，發(fā)光二極管D1亮。

1.2 輸入設(shè)備電路原理

輸入設(shè)備中，RS485芯片的接收端經(jīng)光電藕合電路與微處理器相聯(lián)，光電藕合電路起隔離作用，可隔離總線上的電磁干擾，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動(dòng)，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內(nèi)部的破壞性傳播。RS485芯片的控制端與發(fā)送端也與微處理器相聯(lián)。正常情況下，RS485芯片處于接收狀態(tài)，當(dāng)微處理器從RS485芯片接收端接收到512Hz頻率時(shí)，說明輸出端的開關(guān)K處于閉合狀態(tài)；當(dāng)接收到1KHz頻率時(shí)，說明輸出端開關(guān)K處于斷開狀態(tài)。當(dāng)微處理器接收到頻率時(shí)，說明輸出端開關(guān)K發(fā)生了變位，微處理器控制RS485芯片發(fā)送一個(gè)長的低電平(例如300ms)信號，輸出設(shè)備中的RS485芯片接收到該低電平時(shí)，接收端變低，使發(fā)光二極管D1閃爍一次，表明輸入設(shè)備端已接收到輸出設(shè)備端的開關(guān)K的變位信號，這種反饋方式可以使輸出設(shè)備端了解輸入設(shè)備是否收到開關(guān)K的變位信息。

2 傳輸介質(zhì)的選用

一種新的本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)(簡稱本安)—參量認(rèn)證(Parameter Approvals)中要求之一是如下兩式成立：

式中，Ci、Li為本安現(xiàn)場設(shè)備的電容、電感；Cc、Lc為本安現(xiàn)場設(shè)備與相關(guān)聯(lián)設(shè)備之間連接電纜的分布電容、電感；Ca、La為關(guān)聯(lián)設(shè)備允許的最大電容、電感。

式（1）Cc、Lc（2）說明，本安設(shè)備和連接電纜中電容、電感必須小于所連微處理器等系統(tǒng)的最大允許輸入電容、電感， 這就限制了連接信號電纜的長度。因此應(yīng)該選擇滿足如下條件的信號電纜：（1）電纜的、越小越好；（2）線路阻抗越小越好；（3）信號線最好選用帶外層屏蔽的單股雙膠線；（4）無多余空信號線，防止增加電感量。

RS485總線是一種基于差分信號傳送的串行通信鏈路層協(xié)議，是工業(yè)上廣泛采用的較長距離數(shù)據(jù)通信鏈路層協(xié)議。在信號傳輸過程中，對信號產(chǎn)生干擾的不僅僅是電場，諸如磁場、振動(dòng)、溫度、雷電等均可對信號造成干擾。在信號傳輸過程中受到干擾的程度與信號線質(zhì)量和傳輸距離有很大關(guān)系，信號頻率越高，信號傳輸線質(zhì)量越差；傳輸距離越長則受到干擾的程度就越大。

采用差分方式傳送信號是雙端平衡傳輸?shù)囊环N方式。雙端平衡傳輸?shù)男盘栆驗(yàn)榉认嗟?、相位相反；而傳輸介質(zhì)一般為雙絞電纜，這兩根線走向、材質(zhì)一致，因此對地阻抗一致。在雙端平衡傳輸通道中，所接收的外部電磁干擾在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的干擾是一致的，對信號接收端來說這是一種共模干擾，這種共模干擾在雙端平衡傳輸模式中能得到消除或極大的抑制，在很大程度上提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

本設(shè)計(jì)中在傳輸介質(zhì)中傳送的信號頻率較低；輸入設(shè)備對信號質(zhì)量的要求也較低，即使在傳輸過程中出現(xiàn)個(gè)別誤碼也不會造成判斷失誤，所以抗干擾能力很強(qiáng)。工程實(shí)踐證明，采用該設(shè)計(jì)方案傳輸距離3000m長度的開關(guān)量信號長期運(yùn)行沒有誤動(dòng)作。

3 結(jié)語

通過將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，并采用雙端平衡傳輸方式，解決了開關(guān)量長距離的傳輸?shù)膯栴}。該設(shè)計(jì)簡單可靠，不需要微處理器參于，便實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸，在地理空間位置上，極大地拓展了應(yīng)用范圍。該設(shè)計(jì)已在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到使用，并取得了良好的效果，該設(shè)計(jì)的發(fā)明專利也正在申報(bào)中。但本設(shè)計(jì)僅對一路開關(guān)量信號進(jìn)行了傳輸，如果采用編碼的方式，將多個(gè)開關(guān)量信號進(jìn)行編碼傳輸，則可解決多個(gè)開關(guān)量信號的長距離傳輸問題。這種多開關(guān)量信號傳輸設(shè)計(jì)方案還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)并在實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證。

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