星上RS422接口电路的建模与仿真

李新贝 谭 超 高 山 邵根忠

(山东航天电子技术研究所,烟台 264003)

1 引言

随着航天技术的快速发展,越来越多复杂电子设备在星载系统上应用,众多电子系统之间时刻在交互通信,通信的可靠性成为星船研制过程中需重点解决的问题。总线通信技术的应用大大提高了航天电子系统的性能、可靠性和可维护性。目前串行总线通信在星船电子设备中的应用非常普遍,其中的平衡通信接口RS422 采用全双工通信模式[1],传输速率高达10 M bit/s,传输距离长达2 000 m;RS422 具有高输入电阻和更强的驱动能力,允许在一条平衡总线上连接多至10个接收器[2]。RS422接口简单实用,广泛应用于航天系统、自动化控制和仪器仪表等领域;但在接口电路设计过程中,理论上计算完全可行的电路在实际应用中未必好用,究其原因在于通信信号幅值、元器件参数等均存在一定容差[3]。因此加强对RS422 通信接口的研究具有重要意义。

本文基于最坏情况分析法结合叠加定理对RS422接口电路进行了建模和分析,将接口电路等效为三个电压激励源(即V1、V2、V3)的子电路,利用节点电压法计算得出了接收器正负差分输入信号的电压。在发送端输出电压最坏情况下运用Matlab 7.0.1 软件对接收端输入的差分信号电压与偏置电阻R 之间的关系曲线(注:含接收端输出高、低电平两种情况)进行了仿真,得出了最佳偏置电阻值,探讨了该电阻值对输入差分信号的影响,对于指导航天串行通信设计具有一定的现实意义。

2 RS422接口电路

构如图1所示。

在航天系统电路中,RS422接口电路的典型结

图1 RS422 串行总线接口电路框图Fig.1 Interface diagram of RS422 serial communication

在实际应用中,接收器发送器均有多种型号芯片供选用,其中因芯片型号和厂家的不同,接口电路中匹配电阻、偏置电阻等的阻值也不尽相同。结合工程实践经验(如图2),选用了以下型号的芯片D1(DS96F174M)、D2(DS96F175M),电阻选用以下阻值:R1 =R2 =100Ω,R3、R4、R5、R11 和R12 均选用1k Ω,R8、R9分别为D2输入端差分信号RXD +、RXD-的对地输入阻抗,典型值为18k Ω。R5为总线匹配电阻[4],跨接在远端接收器的输入端之间,用于消除传输线阻抗不连续时的反射干扰。为了预测该接口的可靠性,采用电路设计中常用的最坏情况分析法进行分析,对差分信号取最坏极限值,根据电路的等效模型分析电路输出性能随偏置电阻变化是否超出规定要求[5]。

最坏情况分析法需计算出该接口电路的传递函数,表达式为

U =f(R)

式中U为差分信号电压,R为偏置电阻阻值。

下面重点对RS422 通信接收器端偏置电阻R6、R7与差分输入信号电压间的关系进行研究。

图2 RS422 串行总线接口电路Fig.2 Interface circuit of RS422 serial communication

2.1 接口等效电路模型

由于发送端D1的输出信号为差分信号,因而可等效为两个方向相反的电压源V1与V2叠加,接收端D2的输入信号分别通过偏置电阻R7对地下拉,通过电阻R6对5V 供电上拉,使得信号更加稳定可靠[6]。

由图2可知,该接口电路属于线性电路,可简单地等效为三电压源(V 1、V2、V3)共同激励的接口电路。根据叠加定理,该接口电路任一支路的电压可以看成是电路中每一个独立电压源V1、V2、V3单独作用于电路时,在该支路产生的电压的代数和(注:电压源不作用时应视为短路,电流源不作用时应视为开路),详见图3。

图3 RS422接口电压源激励的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit model of RS422 serial communication based on excitation voltage sources

由图3可知,三激励源共同作用下输出的差分信号Vo+(或Vo-)等于V1、V2、V3电压源单独激励时输出的差分信号Vo1+、Vo2+、Vo3+(或Vo1-、Vo2-、Vo3-)的叠加[7],即

2.2 Matlab 仿真与分析

根据 RS422 标准,接收器的输入门限为±200mV,即接收端的差分电压大于+200mV,接收器输出高电平;小于-200mV时,接收器输出为低电平;介于±200mV 之间时,接收器输出为不确定状态。由于芯片DS96F175M 的输入门限决定了其不具有保护功能,在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时,若不采取特殊措施,则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器找不到起始位,从而引起通信异常[8],为此,通过在总线上加上拉(R6)和下拉电阻(R7)的办法来避免总线悬空(注:通常取R6=R7=R)。R8,R9是芯片对地阻抗。

在传输线最坏情况(短路或开路)下,要保证接口电路具有保护功能,需满足ΔV 大于0.2V。

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

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

由此可知要满足接收器正常接收,偏置电阻阻值R 需小于25k Ω。

根据芯片资料可知发送器D1输出高电平差分信号的最小电压值VOH(min)=3.0V,输出低电平差分信号的最大电压值VOL(max)=2.0V,这是发送器输出电压的最坏情况。在V3=5.0V时分别针对接收器D2输出高电平的最坏情况(注:V1=3.0V、V2=2.0V)和输出低电平的最坏情况(注:V1=2.0V、V2=3.0V)下对RS422接口电路的差分信号与偏置电阻的(Vo+)-R、(Vo-)-R 和ΔV-R(注:ΔV =(Vo+)-(Vo-))三种关系曲线进行Matlab 仿真,见图4和图5。

1)由图4(a)可知,在[0,10]区间内,随着偏置电阻R 的增大,接收器输入端差分信号Vo+由+5V迅速减小至2.96V,而Vo-则由0V 增大至1.78V,ΔV 随R 变化显著;在[10,70]区间,Vo+和Vo-均趋于稳定,两曲线近似平行线。由图5蓝色曲线可知,在整个电阻[0,70]区间内ΔV 最小值为0.84V,均大于接收器输入门限+200mV,从而保证了发送器 输出最坏情况下,接收器仍能输出高电平。

图4 三电压源共同激励时(V o+)-R、(Vo-)-R 关系曲线图Fig.4 (Vo+)-R、(V o-)-R curves based on three excitation voltage sources

2)由图4(b)可知,随着R 的增大,差分信号Vo+迅速减小逐渐稳定在2.0V～2.3V,Vo-迅速增大至2.4V～2.7V;两条曲线相交于b 点(6.5,0)(见图5)后逐渐趋于平行。由图5红色曲线可知,当0 ＜R ＜5kΩ时ΔV 大于+0.2V,RS422 通信正常,但是受偏置电阻阻值影响显著(见图6);当5kΩ≤R ≤9.2kΩ时ΔV 介于-0.2V～+0.2V,不满足RS422接收器的输入电压门限,无法正常通信;当R ＞9.2kΩ时ΔV 大于+0.2V,且随着R 增大,ΔV 趋于稳定。

图5 三电压源共同激励时ΔV-R 关系曲线图Fig.5 ΔV-R curves based on three excitation voltage sources

热环境是航天器在轨道运行期间遇到的最重要的环境,卫星、飞船处在太阳、地球热辐射、冷黑背景下,再加上许多仪器设备工作时放出的热量,使其受热、散热和传热状况十分复杂[9]。假设在RS422 串行通信设计时所选用的电阻阻值在航天器工作温度波动范围内的最大偏移为±5%,由此对接收器输入端差分信号ΔV 偏移量的影响如图6。

图6 ΔV 偏移量与偏置电阻R 的关系曲线图Fig.6 Relation curves of the ΔV off set and the bias resistance

综合以上分析可知,接收器偏置电阻阻值范围为9.2kΩ＜R ＜25k Ω。为了使串行通信更加可靠,宜选择合适的阻值使得ΔV 远离接收器输入门槛,同时保证在总线空闲时能可靠输出高电平。为此,R 阻值选取应该同时远离9.2kΩ和25k Ω。

通过一系列试验发现,当R分别取10kΩ、15kΩ和20k Ω时,RS422 通信均正常可靠,考虑到20kΩ时,ΔV 受R 阻值影响很小,相对更稳定可靠,因而在航天应用中选用20kΩ阻值,有效保证了在最坏情况下的可靠通信,并经过了型号任务的充分验证。

3 结束语

RS422接口基于最坏情况分析法的关键是建立电路的等效模型,在发送器输出差分信号最坏情况下,对模型传递函数进行M atlab 仿真,绘制出了接收器输入端差分信号与偏置电阻的关系曲线图,进一步分析了偏置电阻受工作温度影响时的阻值偏差对ΔV 的影响;结合仿真图和工程实践,从理论上分析了在发送器输出最坏情况下接收器输入端偏置电阻阻值的选取范围为9.2kΩ＜R ＜25kΩ;当R 取值20kΩ时,能保证RS422 在正常温度环境和最坏情况下的可靠通信;该模型的建立与仿真对串行通信电路设计、元器件选用及精度选择具有重要指导意义。

References)

[1]赵佳,唐祯安.一种实现RS 422 通信协议的接口电路[J].现代电子技术,2007(10):179-185

[2]王丁磊,冯冬青.RS-232 至RS-422/485 接口多路转换电路[J].河南广播电视大学学报,2003(9):75-77

[3]李浩亮,李常青.一种用于接收器的高精度片上匹配电阻电路[J].河南师范大学学报(自然科学版),2008(9):61-64

[4]梁树民.最坏情况分析在电子电路设计中的应用[J].重工与起重技术,2004(2):23-25

[5]李万峰.基于最坏情况分析法的多普勒放大器容差分析[J].航空兵器,2009(10):62-64

[6]郑红星,曹晓绯.RS422 在反坦克导弹上的应用研究[J].弹箭与制导学报,2008(8):32-35

[7]李德庆,宋斌.RS422/RS485 总线模型分析与应用[J].电子元器件应用,2008(1):16-18

[8]杨彦杰,陆俭国,张文玲,等.自动装置中串行通信接口电路[J].工业仪表与自动化装置,2001(8):59-61

[9]徐福祥.卫星工程概论[M].北京:中国宇航出版社,2004:456-457