一種分段隔離差分總線接口電路

趙博華，蘇寒剛，朱曉建

（中國(guó)郵政集團(tuán)公司上?？茖W(xué)研究院 上海 200062）

上海郵政科學(xué)研究院研制并生產(chǎn)的信函分揀機(jī)，掛號(hào)信分揀機(jī)等大中型郵政信函自動(dòng)化分揀設(shè)備，它們實(shí)現(xiàn)對(duì)郵政信函的單封分離、郵政信息閱讀識(shí)別和高速集堆等一系列信函分揀流程。標(biāo)準(zhǔn)配置的分揀機(jī)格口數(shù)目一般為300左右，整機(jī)長(zhǎng)度超過50 m[1-2]。系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)為總分式樹形結(jié)構(gòu)，其中，一臺(tái)工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī)，分揀機(jī)的其他硬件設(shè)備在長(zhǎng)度方向上分成若干模塊，每個(gè)模塊受所屬模塊控制電路控制，各模塊控制電路接受主機(jī)訪問和控制，模塊電路與主機(jī)的通信方式為全雙工并行差分總線方式。這種差分總線傳輸方式的抗共模干擾性能較好[3]。但在分揀機(jī)的工程應(yīng)用方面，易出現(xiàn)下面的問題：

1）若一個(gè)模塊電路與總線連接錯(cuò)誤，可導(dǎo)致總線上其他模塊電路損壞，損壞的模塊位置和數(shù)量不確定。

2）一條長(zhǎng)度>50 m的總線，連接多個(gè)模塊電路，不利于安裝和維修。

3）一條總線沿設(shè)備長(zhǎng)度方向貫穿始終，電磁設(shè)備耦合的干擾導(dǎo)致總線的驅(qū)動(dòng)能力隨長(zhǎng)度的增大而減弱。

目前對(duì)總線有高速光耦隔離和磁隔離兩種方式[4-5]，也有基于MCU的隔離型中繼器[6]，但是隔離方法均為每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)整條公共總線的隔離，這種方法對(duì)1）和3）有改善作用，但還不能解決問題2）。

為了解決上述3個(gè)問題，文中提出一種分段隔離差分總線接口電路，此電路作為主控機(jī)與模塊電路之間、模塊電路與模塊電路之間的總線接口電路，既兼容控制系統(tǒng)的原通訊協(xié)議，又能對(duì)主控機(jī)和各模塊之間的電路進(jìn)行了電氣隔離，尤其實(shí)現(xiàn)將一條長(zhǎng)總線分割成若干段，每段的長(zhǎng)度為主控機(jī)與其相鄰模塊的距離或兩相鄰模塊距離。與原模塊控制電路直接連接至總線的方式相比，本文設(shè)計(jì)的接口電路的優(yōu)點(diǎn)為：1）總線誤接只損壞誤接模塊的接口電路，不會(huì)涉及到當(dāng)前的模塊處理電路，更不會(huì)影響其他模塊的電路；2）分段的連線無(wú)疑降低了安裝和維修的難度，提高系統(tǒng)的可靠程度；3）電氣隔離避免了總線耦合電磁干擾的累積。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

本文設(shè)計(jì)接口電路以現(xiàn)有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，如圖1所示為現(xiàn)有郵政信函自動(dòng)分撿設(shè)備的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 信函的自動(dòng)分撿設(shè)備的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Control system topology of letter sorting equipment

由圖1可知每個(gè)模塊具有一個(gè)模塊控制電路、若干功能處理電路、大量的傳感器和執(zhí)行器，功能電路與部分傳感器和執(zhí)行器都與當(dāng)前模塊的模塊控制電路直接連接，傳感器以光電傳感器為主，執(zhí)行器包含大量的電磁鐵轉(zhuǎn)折器和馬達(dá)等。主控機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)（地址和數(shù)據(jù)）沿設(shè)備長(zhǎng)度方向的全雙工并行差分總線，傳輸至各個(gè)模塊，地址信號(hào)與模塊控制電路的ID唯一對(duì)應(yīng)。傳感器或模塊內(nèi)功能電路輸出信號(hào)經(jīng)過模塊控制電路處理后經(jīng)總線傳輸至主控機(jī)。

2 電路工作原理

圖2 電路工作原理示意圖Fig.2 Working principle of the circuit

本文接口電路原理如圖2所示，包括電磁隔離器（電磁隔離1、電磁隔離2、電磁隔離3和電磁隔離4）、隔離電源（隔離電源1和隔離電源2）、差分線路驅(qū)動(dòng)器（差分驅(qū)動(dòng)1、差分驅(qū)動(dòng)2、差分驅(qū)動(dòng)3和差分驅(qū)動(dòng)4）、總線收發(fā)器（總線收發(fā)1和總線收發(fā)2）以及控制總線收發(fā)器選通CPLD。其中，差分驅(qū)動(dòng)器用于將總線輸入的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，或?qū)TL信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸出到總線上。電磁隔離器用于TTL信號(hào)的隔離，包括經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換的TTL信號(hào)或是當(dāng)前模塊準(zhǔn)備輸出到總線上的TTL信號(hào)?？偩€收發(fā)器用于當(dāng)前模塊控制電路輸出信號(hào)或總線上其他模塊板輸出信號(hào)的互斥選通，控制選通的信號(hào)根據(jù)總線輸入地址信號(hào)經(jīng)CPLD對(duì)輸入地址的邏輯運(yùn)算得到[7]。隔離電源給隔離后的電磁隔離器和驅(qū)動(dòng)器供電。

如圖2所示，當(dāng)包含地址和數(shù)據(jù)的總線輸入信號(hào)1由主控機(jī)或與當(dāng)前模塊相鄰且接近主控機(jī)方向的模塊接口電路（本文簡(jiǎn)稱“上臨電路”）通過總線輸入到當(dāng)前模塊接口電路，首先經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)1將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，TTL信號(hào)經(jīng)過電磁隔離1后，輸入到當(dāng)前模塊控制電路，同時(shí)也被電磁隔離2隔離后，經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)2轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，作為總線輸入信號(hào)2，發(fā)送到與當(dāng)前模塊電路相鄰且遠(yuǎn)離主控機(jī)方向的模塊接口電路（本文簡(jiǎn)稱“下臨電路”）。

由當(dāng)前模塊接口電路發(fā)送至主控機(jī)或“上臨電路”的信號(hào)為總線輸出信號(hào)1（包括輸出數(shù)據(jù)），總線輸出信號(hào)的來(lái)源兩個(gè)途徑，其一是當(dāng)前模塊控制電路處理得到的輸出信號(hào)，其二是“下臨電路”傳輸?shù)疆?dāng)前模塊接口電路的總線輸出信號(hào)2，其中二者只能有其中之一被發(fā)送到“上臨電路”或主機(jī)?！跋屡R電路”的總線輸出信號(hào)2經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)4轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過電磁隔離4后通過總線收發(fā)1被使能或禁止傳輸至電磁隔離3，當(dāng)前模塊控制電路處理得到的輸出信號(hào)通過總線收發(fā)2被使能或禁止傳輸至電磁隔離3，總線收發(fā)1和總線收發(fā)2為互斥選通，保證只有一個(gè)通道的信號(hào)可傳輸至電磁隔離3，隔離的TTL信號(hào)經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)3傳輸?shù)街骺貦C(jī)或“上臨電路”。

因此本文提出的這種連接方式可使總線分段，且總線的輸入輸出信號(hào)在進(jìn)入模塊電路之前經(jīng)過電磁隔離。本文提出控制系統(tǒng)傳輸方式如圖3所示。

圖3 基于分段隔離總線的控制系統(tǒng)信息傳輸方式示意圖Fig.3 Information transmission of control system based on segmented and isolated bus

3 電路實(shí)現(xiàn)

隔離電路的主要芯片包括：差分驅(qū)動(dòng)器AM26LS31和AM26LS32，隔離芯片ISO7240系列，總線收發(fā)器74125，DCDC隔離電源。如圖4所示，P1和P2為當(dāng)前模塊接口電路的總線插座，其中P1用來(lái)連接主控機(jī)或“上臨電路”，P2用來(lái)連接“下臨電路”，圖中省略了各器件的供電電路。經(jīng)過4（a）所示的差分轉(zhuǎn)換與隔離得到的A0，A1為地址信號(hào)，ID0，ID1為輸入數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳輸至當(dāng)前模塊控制電路，又同時(shí)經(jīng)過圖4（b）隔離和差分轉(zhuǎn)換傳輸至“下臨電路”。OD0a-OD3a為“下臨電路”傳輸至當(dāng)前模塊接口電路的一組輸出數(shù)據(jù)，OD0b-OD3b為當(dāng)前模塊控制電路傳輸至接口電路的一組輸出數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)由U10和U5控制傳輸，CONTROL1與“CONTROL2”為互斥信號(hào)，保證一個(gè)時(shí)刻只有一組數(shù)據(jù)能有效傳輸至主控機(jī)或“上臨電路”。

圖4 主要電路原理圖Fig.4 Main circuit schematics

4 實(shí)驗(yàn)

本文先后對(duì)此接口電路進(jìn)行了單電路測(cè)試和雙電路級(jí)聯(lián)測(cè)試，利用BinTest測(cè)試軟件（界面如圖5所示），對(duì)各地址的I/O進(jìn)行讀/寫操作，電腦顯示數(shù)據(jù)和執(zhí)行器反應(yīng)均正確無(wú)誤。

本接口電路在上海郵政中心局的兩臺(tái)掛號(hào)信分揀機(jī)和三臺(tái)MPS分揀機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行2 000小時(shí)以上。

5 結(jié) 論

綜上，本文設(shè)計(jì)的分段隔離總線接口電路將總線驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電磁隔離技術(shù)相結(jié)合，此接口作為總線上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)電路與總線之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)經(jīng)過差分抓換和隔離的正反向過程，實(shí)現(xiàn)了：1）各節(jié)點(diǎn)電路（模塊處理電路）的電氣隔離，增強(qiáng)了抗干擾性能并降低了總線上故障電路對(duì)其他電路的影響；2）接口電路的總線輸入和輸出端口將一條長(zhǎng)總線分成只有模塊間距長(zhǎng)度的若干短線段，便于工程安裝和維護(hù)；3）總線信號(hào)在經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)電路時(shí)，數(shù)字信號(hào)均被整形和放大，提高了總線信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力與穩(wěn)定性。此外，本設(shè)計(jì)可僅對(duì)現(xiàn)有全雙工總線構(gòu)架做硬件改進(jìn)，可兼容原傳輸協(xié)議。

圖5 BinTest測(cè)試軟件Fig.5 BinTest testing software

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