数据处理器串行通信板的设计改进

2012-09-30党艳娜高艳芳李少军

火控雷达技术 2012年4期

党艳娜高艳芳韩亮李少军

(西安电子工程研究所西安 710100)

1 引言

现代雷达系统中，各系统之间以及系统内部需要进行数据通信。由于雷达各系统之间不仅对传输距离、通信速率、传输的数据量等有要求，对其可靠性要求更严;雷达数据处理器使用RS-422串行通信模块实现一定远距离的数据传输。虽然RS-422采用的是差分传输方式，具备一定的抗干扰能力，但是采用一般串行通信的设计方案，在温度、湿度及电磁环境十分恶劣的环境下仍会出现接口损坏故障;根据实际工作中遇到的一些问题，以及对RS-422串行通信故障进行的深入分析，针对性地提出了适用于雷达数据处理器串行通信的抗干扰保护措施，同时在实践中得到有效验证，抗干扰效果非常明显。

2 数据处理器串行通信简介

2.1 数据处理器的通信功能

数据处理器［1］的主要功能是完成某雷达边扫描边跟踪处理，实现对多目标的实时跟踪。如图1，数据处理器作为雷达数据处理的核心，通过RS-422标准接口与发射机、接收机、信号处理器、伺服控制计算机、询问机系统进行数据通信。它的组成包括了CPU模块(微型计算机)、电源模块、串行通信板和其它模块等。其中电源模块主要是为各模块提供符合要求的电压;CPU模块作为核心计算机为数据处理软件的运行、存储提供了硬件平台;串行通信板是完成数据处理器和雷达其它分系统之间的数据通信;其它模块响应总线同步时钟信号，完成总线网络数据时序管理，同时将数据上报计算机管理系统。鼠标、键盘、显示器作为外接设备，用于数据处理器单体的调试。

2.2 RS-422串行传输方式

RS-422标准的数据信号采用差分方式传输，电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器将逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送;通过差动接收器，将电位差变换成逻辑电平实现终端的信息接收。

RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。图2是典型的RS-422四线接口。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此，不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可按软件方式或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。

3 串行通信板的故障定位和原因分析

数据处理器作为雷达系统的数据处理系统，通过串行接口与多个系统进行数据通信，串行通信板是否正常直接影响到雷达整机的工作。

3.1 串行通信板故障定位

数据处理器选用8串口集成的串行通信板，由异步通信芯片和收发器组成串行通信硬件电路，在CPU模块控制下，通过PCI总线实现RS-422接口通信，原理框图如图3。

图3 串口通讯板原理框图

雷达整机调试交验中，经常会报一个或多个系统串行通信故障。经过分离，对数据处理器单体进行测试，发现串行通信板上的某个或多个接口受损，不能正常工作。最后，故障定位到串行通信板上的串行接口损坏。

3.2 故障原因分析

故障定位后，进一步分析多次出现串行接口损坏的原因。从数据处理器单体和雷达整机两方面分析原因。

数据处理器单体调试交验时，使用计算机、8串口板和测试程序组成软硬件测试系统，模拟其它分系统测试串口通信是否正常。本身不具有高压、高功率特性，串行接口很少损坏。

雷达整机的调试交验要在不同环境下完成。环境变化时，串行通信板的接口会受影响。雷达整机工作时，数据处理器与多个系统进行数据通信，影响因素较多，例如数据处理器与发射机通信时，发射机具有高压、高功率特征，工作时容易发生打火。通常发射机输出功率越大，末级功率放大管(行波管)所需的工作电压也越高，发生打火的概率也越大。还有发射机发生打火与环境有关，如潮湿气候，容易引发高压打火，烧毁器件。发射机打火时，虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压，这种高压瞬态干扰会给串行通信接口造成严重影响。

数据处理器选用RS-422串行传输方式，数据信号采用差分方式传输，具有一定的抗干扰能力，但是难以应对上千伏高压瞬态干扰。从电路设计上进行分析，串行通信板虽然实现了RS-422串行通信，但是缺少必要的保护电路。当发射机发生打火时会产生高达上千伏的瞬态电压，串行接口和通信主电路得不到有效的保护，经常会损坏。因此，需要改进电路设计，增加隔离和旁路相结合的保护电路，降低串行接口损坏的故障率。

4 串行通信板的设计改进

实际应用中，雷达总站不可避免存在高频的瞬态干扰。为了抵抗瞬态干扰，保护串行通信板，电路设计上增加了由光电耦合器和DC-DC变换器组成隔离保护电路，TVS(瞬态电压抑制二极管)和PTC(自恢复熔断器)组成旁路保护电路。原理框图如图4所示。

图4 串行通信板保护电路原理框图

4.1 隔离保护

隔离保护是将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。在串行通信板电路设计上，供电电源、通信信号均需隔离才能起到好的保护效果，采用DC-DC变换器隔离供电电源，光电耦合器隔离通信信号。

4.1.1 电源隔离措施

常用的电源隔离措施是使用DC-DC变换电路或者集成的DC-DC变换器件。通过DC-DC将数据处理器电源和SP485EE收发器的电源隔离;滤除电源上的杂波，防止电源污染。

目前，市面上集成的DC-DC变换器件很多，最终选用MORNSUN公司WRB－ZP-6W系列电源转换器，该转换器专门用于线路板上分布式电源系统中，产生一组与输入电源隔离的电源输出，向485收发器电路提供+5V电源。该电源采用2:1宽电压输入，隔离电压可达1500V，金属屏蔽DIP封装，方便地将系统电源和RS-485收发器的电源隔离。

4.1.2 信号隔离措施

信号隔离常用的器件有光电耦合器［2］(简称光耦)。光耦是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输入与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。

使用光耦进行信号隔离时，首先光耦输入端和输出端的供电电源是分开的，因此当输入端的电源上有较强干扰时，影响不到输出端的供电电源，如图5所示。其次，输入端到输出端的信号传递是靠光完成的，没有电磁联系，并具有单向传递的特点，因此，具有理想的电磁隔离性能，能十分有效地防止各种电磁噪声干扰。光耦除了具有良好的隔离性能，还具有体积小、寿命长、无触点、既能传输交流信号又能传输直流信号等优点，因此，被广泛用于高低压之间的隔离和控制信号与强电信号之间的隔离。

图5 光藕供电电路图

在串行通信板上，使用光耦进行信号隔离，目的是将串行通信接口部分和微型计算机电路在电气上完全分离，使通信接口的干扰不影响主系统的工作，保证主系统能在复杂的环境下稳定工作。设计电路时，考虑到通信速度，需要选用高速光耦，也就是开/关频率要满足通信波特率的16倍以上的才行。由于高速光耦的价格昂贵，所以除了发送、接收主通信信号外的其他MODEM信号都采用普通的低速光藕，MODEM信号是低速的握手信号。实际应用中，用到的通讯速率为115.2kbps，为了满足通信速度要求，选用了 SHARP公司高速光耦 PC4D10S，PC4D10S具有双路输入输出，10Mb/s的高传输速度，3.75KV的高隔离电压，使其可方便的应用于与大功率，高压瞬态干扰的场合。低速光耦选用的是PS2805-4是4通路输入输出，5Mb/s的传输速度，2.5KV的隔离电压，亦能满足要求。

发送信号是通过异步通信芯片16C554［3］串口的发送信号TXD通过缓冲驱动后送至光电耦合器PC4D10S输入端二极管的负极上，二极管正极与+5V连接，信号经过耦合后从输出三级管c极接隔离电源的输出，e极的输出信号接485发送器的输入端。发送信号电路图如图6所示。