一种基于RS422总线的交叉备份与分布式接收应用电路设计

宋云霞

(中国电子科技集团公司第38研究所 合肥 230088)

0 引 言

RS232、RS422都是由电子工业协会(EIA)制定发布的串行数据接口标准，RS232工业标准EIA-232-E发布时间最早应用最早，在长期应用中，它暴露出通信距离短、速率低的缺点，限制了RS232总线的应用范围，为了弥补RS232 的不足之处，EIA提出了RS422的接口标准。RS422定义了一种平衡通信接口，将通信速率提高到10Mbps，通信距离延长到4000ft(速率低于100bps)，并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，但是在可靠性要求较高的应用场合，为了提高系统可靠性，对于RS422总线的应用提出新的硬件要求[1]。本文研究了以RS422菊花链拓扑结构为基础，进行系统级交叉备份，发送端双机冷备输出，接收端分布式接收且双机冷备的应用电路设计，依托实际工程进行验证，此电路设计切实可行，系统可靠性高，信号质量好，抗干扰能力强，功耗低，具有现实的应用意义。

1 RS422交叉备份与分布式接收的拓扑结构设计

RS422硬件接口电气规范见表1。通常情况下，发送驱动器输出正电平在+2V～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V～-6V，是另一个逻辑状态。接收器与驱动器相对，接收端正端负端之间电平大于+200mV时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。

表1 RS422硬件接口电气规范

EIA RS422硬件接口电气规范参数条件最小值最大值单位发送器输出电压(开路)10-10V发送器输出电压(开路)负载电阻=100Ω2-2V发送器输出阻抗A端到B端100Ω发送器输出短路电流每个输出端到地±150mA发送器输出上升时间负载电阻=100Ω10占比特宽度的百分比发送器共模电压负载电阻=100Ω±3V接收器输入灵敏度共模电压(Vcm)≤±7±200mV接收器共模电压-7+7V接收器输入阻抗4kΩ差分输入信号电压接收器正常工作±10V接收器输入最大差分信号±12V

RS422总线采用菊花链拓扑结构，发射端和接收端采用三线制接法，差分线采用平衡双绞线正端与正端、负端与负端对应相连，信号地线作为正负端的参考电平，连接发射机与接收机的地电平。RS422的最大传输距离为4000ft(约1219m)，最大传输速率为10Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kbps速率下，才可能达到最大传输距离，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输，一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps，RS422需要一端接电阻，要求其阻值等于传输线缆的特性阻抗。

本工程中设计的交叉备份电路在常规RS422菊花链拓扑结构的基础上，采用了接收端和发射端交叉备份以及接收端分布式接收的电路设计，提高了系统的可靠性，具体电路设计如图1所示。

本工程的电路应用中，发射端双机冗余共用一个机箱，双机的输出合并点应在机箱内部冷冗余，码速率最大不超过10Mbps。3个接收端分布式挂接在总线上，每个接收端双机冗余共用一个机箱，双机的输入合并点在机箱内部冷冗余，3个接收端的主机共用一个+5V电源，备机共用另一个+5V电源，主机和备机不能同时供电。为保证信号质量在最远端接130Ω电阻进行阻抗匹配，本工程应用中，RS422总线最远接收端距离发射端为10m(±0.5m)，通信频率为3.125MHz，由图2可知，在总线长度10m的情况下，总线传输速率最高可达10Mbps，因此本工程所选码速率满足总线要求，且余量充足。

2 电路参数选择对信号形成的影响分析

在系统电路设计中，菊花链拓扑结构是最常用的接线方式，但是为了满足多种多样的工程需求，延伸出了多种多样的总线拓扑结构。本工程在菊花链拓扑结构的基础上，结合系统对高可靠性的需求，设计了交叉备份的分布式接收电路应用，上一节已经对系统的应用背景做了介绍，完成了总线结构的设计，但是信号质量控制是一个复杂的工作，电路设计过程中的电阻、电容、线缆长度等因素对信号质量也有至关重要的影响， 本部分内容结合实际工程应用分析电路参数选择对信号质量的影响，并给出最优化的电路参数选择方案，为以后的工程应用提供参考和依据。

图1 基于RS422的交叉备份与分布式接收拓扑结构设计

图2 平衡双绞线长度与传输速率关系[2]

本工程中，发射端422驱动器选择JS26C31BD[3]器件，驱动器单端串联故障隔离电阻为51Ω，故障隔离电阻的作用是隔离器件故障，当主机JS26C31BD芯片故障，内部场效应管击穿时，隔离电阻的存在使得驱动端故障时，故障不会蔓延，不会损坏备机或者接收端芯片。接收端为JS26C32BD[4]器件，接收端分布式连接在总线上，每个接收端串联1k故障隔离电阻，故障隔离电阻的存在主要是防止JS26C32BD芯片内部故障，当多路接收端中只有一路或者少数几路接收芯片故障时，1k隔离电阻的存在使得其它接收端可以正常工作，将芯片故障的影响降到最低。

接收端阻抗进行匹配，终端电阻匹配的目的是使得信号不发生反射，在总线最远的接收器匹配130Ω电阻，由于接收端是双机冷备份，因此每一个单机上并联电阻为260Ω，匹配阻抗的作用是使得信号从传输线进入接收器的过程中，不出现阻抗突变，JS26C32BD的输入阻抗为4k，并联130Ω电阻后，输入阻抗约为126Ω，约等于双绞线阻抗，由公式(1)、公式(2)和公式(3)计算可知接收器输入电压等于入射电压。

V=V入射+V反射

(1)

V反射=V入射·Γ

(2)

(3)

参数说明如下：

V——测量端点电压；

V入射—— 测量端点入射电压；

V反射—— 测量端点处产生的发射电压；

Γ—— 端点处的反射系数；

Z2—— 测量端点后端阻抗；

Z1—— 测量端点前端阻抗。

上下拉电阻的作用是单机未接入系统就上电的情况下，将JS26C32BD芯片的差分输入端钳位在高电平，使得源端开路单机上电的情况下，不会出现不定态。每个接收端的主机和备机供电独立，3个接收机正端上拉2.2kΩ电阻，三机并联之后上拉电阻为730Ω，所有接收端的地信号为由发射端输入的地电平，6个接收机负端下拉4.3kΩ，六机并联之后下拉电阻为717Ω。当差分输入开路的情况下，图3可知由上拉电阻730Ω、匹配电阻130Ω、下拉电阻717Ω，分压+5V，可知差分电压被钳位在412mV≥200mV，因此JS26C32BD输出高电平。

图3 源端开路分压关系

由于接收端采用双机冷备的方式，二极管的存在可以有效防止冷机时电压倒灌。当主机上电，备机断电时，若无防倒灌二极管的存在，+5V电压会经过上拉电阻进入备机电源，长时间存在会损坏备机接口芯片，因此在双机冷备时防倒灌二极管的存在十分必要。

3 信号质量分析

本部分通过对工程电路进行实际测量，用事实证明了电路参数选择的合理性，测量工具有差分探头、示波器、电源模块。本工程中，发射端422驱动器选择JS26C31BD器件，驱动端输出阻抗为100Ω，单端故障隔离电阻为51Ω，双绞线上隔离电阻为102Ω，双绞线缆阻抗为100Ω(由线缆本身特性决定)，在驱动器输出端阻抗连续，信号平稳的由驱动器传输至双绞线缆[5]，无信号反射发生，由图4发射端差分信号可以看到输出电平电压情况。信号由线缆传输至接收端，由于匹配电阻的存在，没有发生阻抗突变，无信号反射发生，由图5接收端差分信号可以看到，接收端输入电压与驱动端输出电压保持一致，信号在整个传输过程中无反射和振铃情况发生。实际测量结果与理论分析完全一致，可以验证电路参数选择的合理性。

图4 发射端差分信号

图5 接收端差分信号

本人在调试过程中发现，信号会有轻微的间隔波动现象出现，这是菊花链拓扑结构不可避免的问题，信号波动存在的原因是接收端分布在菊花链总线上，而接收端桩线的存在使得总线阻抗每隔一段长度就发生变化，阻抗的不连续性导致了信号的复杂反射，但是由测量结果可以看到波动很轻微不影响信号识别，通过减短接收端与总线之间的桩线长度可以减弱这种信号波动现象，因此出现了菊花链拓扑结构的改进形式——Fly-by拓扑结构[6]，这种结构的信号质量优于菊花链拓扑结，但是系统结构受限，接收端位置不自由，在此不对Fly-by拓扑结构展开介绍。

4 结束语

本文以实际工程案例为依托，介绍了一种高可靠性、高信号质量的工程实现形式，针对RS422总线的交叉备份和分布式接收电路展开介绍， 首先介绍了系统的拓扑结构形式，然后结合总线上的参数选择进行了电路信号分析，最终介绍了实际工程测量的信号质量，以及工程采用的拓扑形式出现信号波动问题的原因和解决方案，具有实际的应用意义。