數(shù)據(jù)處理器串行通信板的設(shè)計改進(jìn)

黨艷娜 高艷芳 韓 亮 李少軍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，各系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于雷達(dá)各系統(tǒng)之間不僅對傳輸距離、通信速率、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等有要求，對其可靠性要求更嚴(yán);雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器使用RS-422串行通信模塊實(shí)現(xiàn)一定遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。雖然RS-422采用的是差分傳輸方式，具備一定的抗干擾能力，但是采用一般串行通信的設(shè)計方案，在溫度、濕度及電磁環(huán)境十分惡劣的環(huán)境下仍會出現(xiàn)接口損壞故障;根據(jù)實(shí)際工作中遇到的一些問題，以及對RS-422串行通信故障進(jìn)行的深入分析，針對性地提出了適用于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器串行通信的抗干擾保護(hù)措施，同時在實(shí)踐中得到有效驗(yàn)證，抗干擾效果非常明顯。

2 數(shù)據(jù)處理器串行通信簡介

2.1 數(shù)據(jù)處理器的通信功能

數(shù)據(jù)處理器［1］的主要功能是完成某雷達(dá)邊掃描邊跟蹤處理，實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的實(shí)時跟蹤。如圖1，數(shù)據(jù)處理器作為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的核心，通過RS-422標(biāo)準(zhǔn)接口與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理器、伺服控制計算機(jī)、詢問機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它的組成包括了CPU模塊(微型計算機(jī))、電源模塊、串行通信板和其它模塊等。其中電源模塊主要是為各模塊提供符合要求的電壓;CPU模塊作為核心計算機(jī)為數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)行、存儲提供了硬件平臺;串行通信板是完成數(shù)據(jù)處理器和雷達(dá)其它分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信;其它模塊響應(yīng)總線同步時鐘信號，完成總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時序管理，同時將數(shù)據(jù)上報計算機(jī)管理系統(tǒng)。鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器作為外接設(shè)備，用于數(shù)據(jù)處理器單體的調(diào)試。

2.2 RS-422串行傳輸方式

RS-422標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信號采用差分方式傳輸，電路由發(fā)送器、平衡連接電纜、電纜終端負(fù)載和接收器組成。它通過平衡發(fā)送器將邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送;通過差動接收器，將電位差變換成邏輯電平實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。

RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖2是典型的RS-422四線接口。RS-422四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此，不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可按軟件方式或硬件方式(一對單獨(dú)的雙絞線)實(shí)現(xiàn)。

3 串行通信板的故障定位和原因分析

數(shù)據(jù)處理器作為雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過串行接口與多個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，串行通信板是否正常直接影響到雷達(dá)整機(jī)的工作。

3.1 串行通信板故障定位

數(shù)據(jù)處理器選用8串口集成的串行通信板，由異步通信芯片和收發(fā)器組成串行通信硬件電路，在CPU模塊控制下，通過PCI總線實(shí)現(xiàn)RS-422接口通信，原理框圖如圖3。

圖3 串口通訊板原理框圖

雷達(dá)整機(jī)調(diào)試交驗(yàn)中，經(jīng)常會報一個或多個系統(tǒng)串行通信故障。經(jīng)過分離，對數(shù)據(jù)處理器單體進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)串行通信板上的某個或多個接口受損，不能正常工作。最后，故障定位到串行通信板上的串行接口損壞。

3.2 故障原因分析

故障定位后，進(jìn)一步分析多次出現(xiàn)串行接口損壞的原因。從數(shù)據(jù)處理器單體和雷達(dá)整機(jī)兩方面分析原因。

數(shù)據(jù)處理器單體調(diào)試交驗(yàn)時，使用計算機(jī)、8串口板和測試程序組成軟硬件測試系統(tǒng)，模擬其它分系統(tǒng)測試串口通信是否正常。本身不具有高壓、高功率特性，串行接口很少損壞。

雷達(dá)整機(jī)的調(diào)試交驗(yàn)要在不同環(huán)境下完成。環(huán)境變化時，串行通信板的接口會受影響。雷達(dá)整機(jī)工作時，數(shù)據(jù)處理器與多個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，影響因素較多，例如數(shù)據(jù)處理器與發(fā)射機(jī)通信時，發(fā)射機(jī)具有高壓、高功率特征，工作時容易發(fā)生打火。通常發(fā)射機(jī)輸出功率越大，末級功率放大管(行波管)所需的工作電壓也越高，發(fā)生打火的概率也越大。還有發(fā)射機(jī)發(fā)生打火與環(huán)境有關(guān)，如潮濕氣候，容易引發(fā)高壓打火，燒毀器件。發(fā)射機(jī)打火時，雖然持續(xù)時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓，這種高壓瞬態(tài)干擾會給串行通信接口造成嚴(yán)重影響。

數(shù)據(jù)處理器選用RS-422串行傳輸方式，數(shù)據(jù)信號采用差分方式傳輸，具有一定的抗干擾能力，但是難以應(yīng)對上千伏高壓瞬態(tài)干擾。從電路設(shè)計上進(jìn)行分析，串行通信板雖然實(shí)現(xiàn)了RS-422串行通信，但是缺少必要的保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)生打火時會產(chǎn)生高達(dá)上千伏的瞬態(tài)電壓，串行接口和通信主電路得不到有效的保護(hù)，經(jīng)常會損壞。因此，需要改進(jìn)電路設(shè)計，增加隔離和旁路相結(jié)合的保護(hù)電路，降低串行接口損壞的故障率。

4 串行通信板的設(shè)計改進(jìn)

實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)總站不可避免存在高頻的瞬態(tài)干擾。為了抵抗瞬態(tài)干擾，保護(hù)串行通信板，電路設(shè)計上增加了由光電耦合器和DC-DC變換器組成隔離保護(hù)電路，TVS(瞬態(tài)電壓抑制二極管)和PTC(自恢復(fù)熔斷器)組成旁路保護(hù)電路。原理框圖如圖4所示。

圖4 串行通信板保護(hù)電路原理框圖

4.1 隔離保護(hù)

隔離保護(hù)是將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。在串行通信板電路設(shè)計上，供電電源、通信信號均需隔離才能起到好的保護(hù)效果，采用DC-DC變換器隔離供電電源，光電耦合器隔離通信信號。

4.1.1 電源隔離措施

常用的電源隔離措施是使用DC-DC變換電路或者集成的DC-DC變換器件。通過DC-DC將數(shù)據(jù)處理器電源和SP485EE收發(fā)器的電源隔離;濾除電源上的雜波，防止電源污染。

目前，市面上集成的DC-DC變換器件很多，最終選用MORNSUN公司W(wǎng)RB－ZP-6W系列電源轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器專門用于線路板上分布式電源系統(tǒng)中，產(chǎn)生一組與輸入電源隔離的電源輸出，向485收發(fā)器電路提供+5V電源。該電源采用2:1寬電壓輸入，隔離電壓可達(dá)1500V，金屬屏蔽DIP封裝，方便地將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離。

4.1.2 信號隔離措施

信號隔離常用的器件有光電耦合器［2］(簡稱光耦)。光耦是一種以光為耦合媒介，通過光信號的傳遞來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間電隔離的器件，可在電路或系統(tǒng)之間傳輸電信號，同時確保這些電路或系統(tǒng)彼此間的電絕緣。

使用光耦進(jìn)行信號隔離時，首先光耦輸入端和輸出端的供電電源是分開的，因此當(dāng)輸入端的電源上有較強(qiáng)干擾時，影響不到輸出端的供電電源，如圖5所示。其次，輸入端到輸出端的信號傳遞是靠光完成的，沒有電磁聯(lián)系，并具有單向傳遞的特點(diǎn)，因此，具有理想的電磁隔離性能，能十分有效地防止各種電磁噪聲干擾。光耦除了具有良好的隔離性能，還具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、既能傳輸交流信號又能傳輸直流信號等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛用于高低壓之間的隔離和控制信號與強(qiáng)電信號之間的隔離。

圖5 光藕供電電路圖

在串行通信板上，使用光耦進(jìn)行信號隔離，目的是將串行通信接口部分和微型計算機(jī)電路在電氣上完全分離，使通信接口的干擾不影響主系統(tǒng)的工作，保證主系統(tǒng)能在復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定工作。設(shè)計電路時，考慮到通信速度，需要選用高速光耦，也就是開/關(guān)頻率要滿足通信波特率的16倍以上的才行。由于高速光耦的價格昂貴，所以除了發(fā)送、接收主通信信號外的其他MODEM信號都采用普通的低速光藕，MODEM信號是低速的握手信號。實(shí)際應(yīng)用中，用到的通訊速率為115.2kbps，為了滿足通信速度要求，選用 了 SHARP公司高速光耦 PC4D10S，PC4D10S具有雙路輸入輸出，10Mb/s的高傳輸速度，3.75KV的高隔離電壓，使其可方便的應(yīng)用于與大功率，高壓瞬態(tài)干擾的場合。低速光耦選用的是PS2805-4是4通路輸入輸出，5Mb/s的傳輸速度，2.5KV的隔離電壓，亦能滿足要求。

發(fā)送信號是通過異步通信芯片16C554［3］串口的發(fā)送信號TXD通過緩沖驅(qū)動后送至光電耦合器PC4D10S輸入端二極管的負(fù)極上，二極管正極與+5V連接，信號經(jīng)過耦合后從輸出三級管c極接隔離電源的輸出，e極的輸出信號接485發(fā)送器的輸入端。發(fā)送信號電路圖如圖6所示。

圖6 發(fā)送信號電路圖

接收信號是將外部送過來的差分信號經(jīng)SP485接收器轉(zhuǎn)換為TTL信號，經(jīng)過驅(qū)動連接到光電耦合隔離器PC4D10S輸入端二極管的負(fù)極上，經(jīng)過耦合信號從三級管c極輸出到異步通信芯片16C554串口的接收信號RXD端。接收信號電路圖如圖7所示。

4.2 旁路保護(hù)

旁路保護(hù)是利用瞬態(tài)抑制元件［4］(如TVS、PTC等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地。旁路保護(hù)主要是保護(hù)與外部通信接口電路的安全，使得接口不被外部瞬態(tài)干擾破壞。串行通信板上，采用的是TVS(瞬態(tài)電壓抑制二極管)和PTC(自恢復(fù)熔斷器)相結(jié)合組成旁路保護(hù)電路。

TVS是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能迅速將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收浪涌功率，使兩極間電壓最大鉗位于10.3V，有效保護(hù)電路中元器件免受各種浪涌脈沖損壞。

PTC是正溫度系數(shù)的熱敏元件，保護(hù)閥值受溫度影響很大，選用過載電流0.75A，最大電流40A的PTC，串聯(lián)在電路中。電路工作正常，PTC處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電路出現(xiàn)過流故障時，PTC自身溫度迅速上升進(jìn)入高阻狀態(tài)，切斷電路中電流，使電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。故障消失后，PTC冷卻后，又呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)。

圖7 接收信號電路圖

圖8 旁路保護(hù)電路

電路中TVS吸收外部的浪涌、高壓脈沖群等高壓瞬態(tài)干擾信號，使與通信器件相連的信號電平在安全的區(qū)間內(nèi);PTC用于保護(hù)在發(fā)生通訊故障或其他的可能導(dǎo)致過負(fù)載的情況下，保證接口器件在安全的功率區(qū)間工作。簡而言之就是:TVS保證不過壓、PTC保證不過流。旁路保護(hù)電路如圖8所示。

在電路保護(hù)設(shè)計中，隔離接口對大幅度瞬態(tài)干擾進(jìn)行隔離，旁路元件則保護(hù)隔離接口不被過高的瞬態(tài)電壓擊穿，經(jīng)過雷達(dá)整機(jī)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，將兩種保護(hù)措施結(jié)合起來運(yùn)用，串行通信可靠性得到了提高，達(dá)到了預(yù)期要求。

基于以上分析，進(jìn)行了多次改進(jìn)及大量實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的串行通信板已經(jīng)能抵抗瞬態(tài)高壓干擾。改進(jìn)前后試驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改進(jìn)前后試驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文主要分析了數(shù)據(jù)處理器串行通信板出現(xiàn)故障的原因，針對電路設(shè)計不足，提出了設(shè)計改進(jìn)方法，即增加隔離和旁路保護(hù)電路。改進(jìn)后串行通信板，對于抑制高壓瞬態(tài)干擾(如發(fā)射機(jī)打火引起的干擾)效果明顯。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，串行通信板的故障率有了明顯下降，穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

［1］吳順君，梅曉春.雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［3］毛永毅.四通道異步收發(fā)器ST16C554D及其應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2002，(6):44－47.

［4］張忠連，吳多龍.瞬態(tài)電壓抑制器及其應(yīng)用［J］.科技資訊，2008，10:20－24.