星上RS422接口電路的建模與仿真

李新貝 譚 超 高 山 邵根忠

(山東航天電子技術(shù)研究所,煙臺(tái) 264003)

1 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展,越來(lái)越多復(fù)雜電子設(shè)備在星載系統(tǒng)上應(yīng)用,眾多電子系統(tǒng)之間時(shí)刻在交互通信,通信的可靠性成為星船研制過(guò)程中需重點(diǎn)解決的問(wèn)題?？偩€通信技術(shù)的應(yīng)用大大提高了航天電子系統(tǒng)的性能、可靠性和可維護(hù)性。目前串行總線通信在星船電子設(shè)備中的應(yīng)用非常普遍,其中的平衡通信接口RS422 采用全雙工通信模式[1],傳輸速率高達(dá)10 M bit/s,傳輸距離長(zhǎng)達(dá)2 000 m;RS422 具有高輸入電阻和更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,允許在一條平衡總線上連接多至10個(gè)接收器[2]。RS422接口簡(jiǎn)單實(shí)用,廣泛應(yīng)用于航天系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和儀器儀表等領(lǐng)域;但在接口電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,理論上計(jì)算完全可行的電路在實(shí)際應(yīng)用中未必好用,究其原因在于通信信號(hào)幅值、元器件參數(shù)等均存在一定容差[3]。因此加強(qiáng)對(duì)RS422 通信接口的研究具有重要意義。

本文基于最壞情況分析法結(jié)合疊加定理對(duì)RS422接口電路進(jìn)行了建模和分析,將接口電路等效為三個(gè)電壓激勵(lì)源(即V1、V2、V3)的子電路,利用節(jié)點(diǎn)電壓法計(jì)算得出了接收器正負(fù)差分輸入信號(hào)的電壓。在發(fā)送端輸出電壓最壞情況下運(yùn)用Matlab 7.0.1 軟件對(duì)接收端輸入的差分信號(hào)電壓與偏置電阻R 之間的關(guān)系曲線(注:含接收端輸出高、低電平兩種情況)進(jìn)行了仿真,得出了最佳偏置電阻值,探討了該電阻值對(duì)輸入差分信號(hào)的影響,對(duì)于指導(dǎo)航天串行通信設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 RS422接口電路

構(gòu)如圖1所示。

在航天系統(tǒng)電路中,RS422接口電路的典型結(jié)

圖1 RS422 串行總線接口電路框圖Fig.1 Interface diagram of RS422 serial communication

在實(shí)際應(yīng)用中,接收器發(fā)送器均有多種型號(hào)芯片供選用,其中因芯片型號(hào)和廠家的不同,接口電路中匹配電阻、偏置電阻等的阻值也不盡相同。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(如圖2),選用了以下型號(hào)的芯片D1(DS96F174M)、D2(DS96F175M),電阻選用以下阻值:R1 =R2 =100Ω,R3、R4、R5、R11 和R12 均選用1k Ω,R8、R9分別為D2輸入端差分信號(hào)RXD +、RXD-的對(duì)地輸入阻抗,典型值為18k Ω。R5為總線匹配電阻[4],跨接在遠(yuǎn)端接收器的輸入端之間,用于消除傳輸線阻抗不連續(xù)時(shí)的反射干擾。為了預(yù)測(cè)該接口的可靠性,采用電路設(shè)計(jì)中常用的最壞情況分析法進(jìn)行分析,對(duì)差分信號(hào)取最壞極限值,根據(jù)電路的等效模型分析電路輸出性能隨偏置電阻變化是否超出規(guī)定要求[5]。

最壞情況分析法需計(jì)算出該接口電路的傳遞函數(shù),表達(dá)式為

U =f(R)

式中U為差分信號(hào)電壓,R為偏置電阻阻值。

下面重點(diǎn)對(duì)RS422 通信接收器端偏置電阻R6、R7與差分輸入信號(hào)電壓間的關(guān)系進(jìn)行研究。

圖2 RS422 串行總線接口電路Fig.2 Interface circuit of RS422 serial communication

2.1 接口等效電路模型

由于發(fā)送端D1的輸出信號(hào)為差分信號(hào),因而可等效為兩個(gè)方向相反的電壓源V1與V2疊加,接收端D2的輸入信號(hào)分別通過(guò)偏置電阻R7對(duì)地下拉,通過(guò)電阻R6對(duì)5V 供電上拉,使得信號(hào)更加穩(wěn)定可靠[6]。

由圖2可知,該接口電路屬于線性電路,可簡(jiǎn)單地等效為三電壓源(V 1、V2、V3)共同激勵(lì)的接口電路。根據(jù)疊加定理,該接口電路任一支路的電壓可以看成是電路中每一個(gè)獨(dú)立電壓源V1、V2、V3單獨(dú)作用于電路時(shí),在該支路產(chǎn)生的電壓的代數(shù)和(注:電壓源不作用時(shí)應(yīng)視為短路,電流源不作用時(shí)應(yīng)視為開(kāi)路),詳見(jiàn)圖3。

圖3 RS422接口電壓源激勵(lì)的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit model of RS422 serial communication based on excitation voltage sources

由圖3可知,三激勵(lì)源共同作用下輸出的差分信號(hào)Vo+(或Vo-)等于V1、V2、V3電壓源單獨(dú)激勵(lì)時(shí)輸出的差分信號(hào)Vo1+、Vo2+、Vo3+(或Vo1-、Vo2-、Vo3-)的疊加[7],即

2.2 Matlab 仿真與分析

根據(jù) RS422 標(biāo)準(zhǔn),接收器的輸入門(mén)限為±200mV,即接收端的差分電壓大于+200mV,接收器輸出高電平;小于-200mV時(shí),接收器輸出為低電平;介于±200mV 之間時(shí),接收器輸出為不確定狀態(tài)。由于芯片DS96F175M 的輸入門(mén)限決定了其不具有保護(hù)功能,在總線空閑即傳輸線上所有節(jié)點(diǎn)都為接收狀態(tài)以及在傳輸線開(kāi)路或短路故障時(shí),若不采取特殊措施,則接收器可能輸出高電平也可能輸出低電平。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器產(chǎn)生低電平就會(huì)使串行接收器找不到起始位,從而引起通信異常[8],為此,通過(guò)在總線上加上拉(R6)和下拉電阻(R7)的辦法來(lái)避免總線懸空(注:通常取R6=R7=R)。R8,R9是芯片對(duì)地阻抗。

在傳輸線最壞情況(短路或開(kāi)路)下,要保證接口電路具有保護(hù)功能,需滿足ΔV 大于0.2V。

1)短路情況:ΔV =(R3+R4)×V3/(R3+R4+R6+R7)＞0.2V,得R ＜25k Ω;

2)開(kāi)路情況:ΔV =(R3+R4+R5)×V3/(R3+R4+R5+R6+R7)＞0.2V,得R ＜36kΩ。

由此可知要滿足接收器正常接收,偏置電阻阻值R 需小于25k Ω。

根據(jù)芯片資料可知發(fā)送器D1輸出高電平差分信號(hào)的最小電壓值VOH(min)=3.0V,輸出低電平差分信號(hào)的最大電壓值VOL(max)=2.0V,這是發(fā)送器輸出電壓的最壞情況。在V3=5.0V時(shí)分別針對(duì)接收器D2輸出高電平的最壞情況(注:V1=3.0V、V2=2.0V)和輸出低電平的最壞情況(注:V1=2.0V、V2=3.0V)下對(duì)RS422接口電路的差分信號(hào)與偏置電阻的(Vo+)-R、(Vo-)-R 和ΔV-R(注:ΔV =(Vo+)-(Vo-))三種關(guān)系曲線進(jìn)行Matlab 仿真,見(jiàn)圖4和圖5。

1)由圖4(a)可知,在[0,10]區(qū)間內(nèi),隨著偏置電阻R 的增大,接收器輸入端差分信號(hào)Vo+由+5V迅速減小至2.96V,而Vo-則由0V 增大至1.78V,ΔV 隨R 變化顯著;在[10,70]區(qū)間,Vo+和Vo-均趨于穩(wěn)定,兩曲線近似平行線。由圖5藍(lán)色曲線可知,在整個(gè)電阻[0,70]區(qū)間內(nèi)ΔV 最小值為0.84V,均大于接收器輸入門(mén)限+200mV,從而保證了發(fā)送器 輸出最壞情況下,接收器仍能輸出高電平。

圖4 三電壓源共同激勵(lì)時(shí)(V o+)-R、(Vo-)-R 關(guān)系曲線圖Fig.4 (Vo+)-R、(V o-)-R curves based on three excitation voltage sources

2)由圖4(b)可知,隨著R 的增大,差分信號(hào)Vo+迅速減小逐漸穩(wěn)定在2.0V～2.3V,Vo-迅速增大至2.4V～2.7V;兩條曲線相交于b 點(diǎn)(6.5,0)(見(jiàn)圖5)后逐漸趨于平行。由圖5紅色曲線可知,當(dāng)0 ＜R ＜5kΩ時(shí)ΔV 大于+0.2V,RS422 通信正常,但是受偏置電阻阻值影響顯著(見(jiàn)圖6);當(dāng)5kΩ≤R ≤9.2kΩ時(shí)ΔV 介于-0.2V～+0.2V,不滿足RS422接收器的輸入電壓門(mén)限,無(wú)法正常通信;當(dāng)R ＞9.2kΩ時(shí)ΔV 大于+0.2V,且隨著R 增大,ΔV 趨于穩(wěn)定。

圖5 三電壓源共同激勵(lì)時(shí)ΔV-R 關(guān)系曲線圖Fig.5 ΔV-R curves based on three excitation voltage sources

熱環(huán)境是航天器在軌道運(yùn)行期間遇到的最重要的環(huán)境,衛(wèi)星、飛船處在太陽(yáng)、地球熱輻射、冷黑背景下,再加上許多儀器設(shè)備工作時(shí)放出的熱量,使其受熱、散熱和傳熱狀況十分復(fù)雜[9]。假設(shè)在RS422 串行通信設(shè)計(jì)時(shí)所選用的電阻阻值在航天器工作溫度波動(dòng)范圍內(nèi)的最大偏移為±5%,由此對(duì)接收器輸入端差分信號(hào)ΔV 偏移量的影響如圖6。

圖6 ΔV 偏移量與偏置電阻R 的關(guān)系曲線圖Fig.6 Relation curves of the ΔV off set and the bias resistance

綜合以上分析可知,接收器偏置電阻阻值范圍為9.2kΩ＜R ＜25k Ω。為了使串行通信更加可靠,宜選擇合適的阻值使得ΔV 遠(yuǎn)離接收器輸入門(mén)檻,同時(shí)保證在總線空閑時(shí)能可靠輸出高電平。為此,R 阻值選取應(yīng)該同時(shí)遠(yuǎn)離9.2kΩ和25k Ω。

通過(guò)一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)R分別取10kΩ、15kΩ和20k Ω時(shí),RS422 通信均正常可靠,考慮到20kΩ時(shí),ΔV 受R 阻值影響很小,相對(duì)更穩(wěn)定可靠,因而在航天應(yīng)用中選用20kΩ阻值,有效保證了在最壞情況下的可靠通信,并經(jīng)過(guò)了型號(hào)任務(wù)的充分驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

RS422接口基于最壞情況分析法的關(guān)鍵是建立電路的等效模型,在發(fā)送器輸出差分信號(hào)最壞情況下,對(duì)模型傳遞函數(shù)進(jìn)行M atlab 仿真,繪制出了接收器輸入端差分信號(hào)與偏置電阻的關(guān)系曲線圖,進(jìn)一步分析了偏置電阻受工作溫度影響時(shí)的阻值偏差對(duì)ΔV 的影響;結(jié)合仿真圖和工程實(shí)踐,從理論上分析了在發(fā)送器輸出最壞情況下接收器輸入端偏置電阻阻值的選取范圍為9.2kΩ＜R ＜25kΩ;當(dāng)R 取值20kΩ時(shí),能保證RS422 在正常溫度環(huán)境和最壞情況下的可靠通信;該模型的建立與仿真對(duì)串行通信電路設(shè)計(jì)、元器件選用及精度選擇具有重要指導(dǎo)意義。

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