鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線的失效性分析

樊彥恩 段玲琳 李化雷

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所 合肥 230088 2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線的失效性分析

樊彥恩1,2段玲琳1,2李化雷1,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所 合肥 230088 2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

從理論方面給出了鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線接口電路總負(fù)載阻抗計(jì)算方法；從試驗(yàn)方面測(cè)試分析了當(dāng)某接收端短路失效時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片和其他接收端的通信質(zhì)量。試驗(yàn)證明，只要保證總負(fù)載阻抗RL不小于90歐姆，某接收端短路失效并不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)芯片和其他接收端的正常通信，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

RS422總線；負(fù)載阻抗；失效性分析；鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

0 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，總線通信技術(shù)的應(yīng)用使得眾多電子系統(tǒng)之間交互通信成為可能。目前串行總線通信在星載電子設(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，傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)2000m；RS422具有抗共模干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、信號(hào)容差性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，已廣泛應(yīng)用于航天系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和儀器儀表等領(lǐng)域。根據(jù)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的RS422標(biāo)準(zhǔn)，其經(jīng)典拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，并且允許在一條平衡總線上連接多至10個(gè)接收器[2]。接收器的數(shù)量越多，對(duì)通信的可靠性要求就會(huì)越高。因此進(jìn)行鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線的失效性分析對(duì)保證星載電子設(shè)備在諸多特殊環(huán)境中滿足極高的可靠性和消除故障隱患可能帶來(lái)的重大的經(jīng)濟(jì)損失有著深遠(yuǎn)的意義。

航天產(chǎn)品研制過(guò)程中使用了大量可靠性設(shè)計(jì)、分析技術(shù)以有效保證其可靠性。我們廣為熟悉的故障模式影響分析(Failure Mode Effect Analysis, FMEA)已經(jīng)作為一項(xiàng)必做的可靠性設(shè)計(jì)方法。它對(duì)各種可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)較小到可接受的水平。本文就鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線在應(yīng)用中可能存在的某接收端短路對(duì)總線通信的影響給出了相關(guān)的理論支撐以及試驗(yàn)結(jié)果分析。

1 RS422總線接口電路總負(fù)載阻抗

1.1 平行終端匹配電阻

終端匹配的作用是對(duì)傳輸線進(jìn)行阻抗匹配。如果阻抗不匹配，傳輸信號(hào)就不能被負(fù)載完全吸收，一部分信號(hào)就會(huì)反射回傳輸線，形成振鈴甚至導(dǎo)致誤碼。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以選擇平行終端匹配和AC耦合終端匹配[2]。在本文中，如沒有特殊說(shuō)明，終端匹配方式均為平行終端匹配。

a)平行終端匹配電阻的位置

對(duì)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)一個(gè)接收端，平行終端匹配電阻RT需要加在接收端的A’與 B’兩端，如圖1所示。

對(duì)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)多達(dá)10個(gè)接收端時(shí)，平行終端匹配電阻RT要接在最后一個(gè)接收端的A’與B’之間如圖2所示。

b)平行終端匹配電阻的阻值

根據(jù)RS422標(biāo)準(zhǔn)(TIA-EIA-422-B)，總線驅(qū)動(dòng)芯片的總負(fù)載阻抗不能小于90歐姆[2]，平行終端匹配電阻的阻值在90到150歐姆之間，否則就會(huì)影響驅(qū)動(dòng)芯片和接收端的正常通信。理想的阻值應(yīng)該和傳輸線的特征阻抗相匹配(一般為120Ωm，可以咨詢傳輸線生產(chǎn)廠商)。

1.2 RS422總線接口電路總負(fù)載阻抗計(jì)算

根據(jù)RS422標(biāo)準(zhǔn)，其經(jīng)典拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)

構(gòu)，并且允許在一條平衡總線上連接多至10個(gè)接收器，如圖3所示。

整個(gè)RS422接口電路總負(fù)載阻抗RL包括N個(gè)接收端差分輸入阻抗Ri和終端匹配電阻RT[3]。其中N個(gè)接收端差分輸入阻抗并聯(lián)后得到Rp：

(1)

最后再和終端匹配電阻RT相并聯(lián)，這樣整個(gè)RS422接口電路總負(fù)載阻抗為RL：

(2)

其中，RL不能小于90歐姆。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)上面的理論分析，當(dāng)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線中的某支路短路失效時(shí)，只要總負(fù)載阻抗RL不小于90Ωm，驅(qū)動(dòng)芯片和其他接收端的通信并不會(huì)受到影響。為了從試驗(yàn)角度進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了專門的試驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。使用到的元器件和材料參數(shù)如下：

a)驅(qū)動(dòng)芯片：型號(hào)JSR26C31D，高電平輸出阻抗約為9Ω，低電平輸出阻抗約為7Ω[4]，試驗(yàn)中取平均值8Ω進(jìn)行計(jì)算。

b)接收芯片：型號(hào)JSR26C32D，輸入阻抗在4～20kΩ之間[5]，試驗(yàn)中取10kΩ計(jì)算。

c)傳輸線：AWG26雙絞線，差分阻抗和單端阻抗均約為120Ω。

d)平行終端匹配電阻RT=120Ω。

e)一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)6個(gè)接收端。

f)接收芯片差分輸入端串聯(lián)了故障電阻R0=1kΩ，計(jì)算負(fù)載阻抗時(shí)需要考慮進(jìn)去。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)中，鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)RS422總線含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片和6個(gè)接收端。根據(jù)公式(1)、(2)，當(dāng)某一接收端差分輸入信號(hào)A’與B’(或A”與B”)之間短路后，如圖4、圖6所示，接口電路A、B兩端總負(fù)載阻抗RL=113Ω，大于TIA-EIA-422-B標(biāo)準(zhǔn)要求的總負(fù)載極限值90Ω。因此理論上分析，當(dāng)某一接收端差分輸入信號(hào)短路后，不會(huì)影響其余驅(qū)動(dòng)芯片和其余五個(gè)接收端的正常通信。為了能夠覆蓋接收端短路的隨機(jī)性，使得試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，分別做了近端接收端和遠(yuǎn)端接收端短路的試驗(yàn)。

2.2.1 近端接收端短路失效

近端接收端短路失效后的等效電路原理圖如圖4所示。

近端接收端短路前后，采用示波器差分探頭在左數(shù)第三個(gè)接收端實(shí)測(cè)的信號(hào)眼圖如圖5所示。從圖中可以看出，信號(hào)眼圖在短路前后基本沒有任何變化。

遠(yuǎn)端接收端短路失效遠(yuǎn)端接收端短路失效后的等效電路原理圖如圖6所示。

遠(yuǎn)端接收端短路前后，采用示波器差分探頭在左數(shù)第三個(gè)接收端實(shí)測(cè)的信號(hào)眼圖如圖7所示。從圖中可以看出，信號(hào)眼圖在短路前后基本沒有任何變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明只要合理選擇平行終端匹配電阻，使得鏈?zhǔn)酵貥憬Y(jié)構(gòu)RS422總線的總負(fù)載阻抗不小于極限值90Ω，在近端接收端或遠(yuǎn)端接收端短路失效時(shí)，均不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)芯片和其他接收端的正常通信。試驗(yàn)結(jié)果和理論分析相符。

[1] 段曉超，段玲琳，李化雷. 星型拓?fù)銻S422信號(hào)傳輸特性研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2016，14(1)：91-94.

[2] Electrical characteristics of balanced voltage digital interface circuits [R].U.S.A: Telecommunications Industry Association,1994:5～16.

[3] RS-422 and RS-485 Application Note[R]. Ottawa: Bamp;B electronics Mfg.Co.Inc,1997: 13～19.

[4] JSR26C31D四路差分驅(qū)動(dòng)器技術(shù)說(shuō)明書[X].無(wú)錫：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，2013: 5-6.

[5] JSR26C32D四路差分驅(qū)動(dòng)器技術(shù)說(shuō)明書[X].無(wú)錫：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，2013: 5.

FailureAnalysisofRS422BuswithChain-typeTopology

Fan Yan en1,2, Duan Linglin1,2, Li Hualei1,2

(1. The No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088)

Calculating method of total resistance of RS422 bus with chain-type topology is present theoretically. Based on experiment, communication quality between drive chip and other receiving ends in case of any one receiving end is failed due to short-circuit is analyzed. The experimental result shows that, if total load impedance RL not less than 90 can be guaranteed, then communication quality between drive chip and other receiving ends will not be affected in case of one end is failed due to short-circuit, i.e. experimental result is coincident with theoretical analyzing.

RS422 bus; load impedance; failure analysis; chain-type topology

2017-04-11

樊彥恩(1985-)，女，碩士研究生。研究方向?yàn)榫C合電子設(shè)計(jì)技術(shù)。

TN919.3

A

1008-8652(2017)03-043-04