串口通信的RE102超差风险及应对

杨晓

摘要：由于串口通信自身特点，如果在设计时未考虑设备的电磁兼容风险，会加剧RE102项目测试超差风险。为使设备顺利通过测试，从电磁兼容三要素角度，通过分析串口通信的干扰原理，采取对传输线缆增强屏蔽，针对性的对接口电路进行滤波设计的措施，并经实际测试，证明了应对措施的有效性。

关键词：串口通信;电磁兼容风险;设备;电磁兼容三要素

中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0023-02

0 引言

串口通信是现行数据通信的一种，广泛应用于计算机与外设之间，具有通信线路简单、可双向远距离通信、成本低等特点。常见的串口通信电气接口标准有RS-232、RS-422、RS-485等。

RS-232接口一般用于控制、调试或者产品内部模块与主板之间的点对点通信，RS-422以及RS-485一般用于大型系统中多个产品之间的互连通信。

串口通信设备在依照GJB151A/B系列标准要求进行电磁兼容测试时，超差风险主要体现在CE102、RE102、CS115、CS116、ESD等项目上。现阶段，国内外针对串口通信设备CE102超差风险，一般采取加装电源滤波器，針对CS115、CS116、ESD项目采用在接口电路中增加隔离、增加TVS管的方式进行消除。对于RE102项目，由于担心采用滤波电路会影响数据传输的原因，没有专门进行滤波电路设计，但往往由于串口通信电路、电气结构等因素，存在较高的超差风险。

1 RE102超差风险分析

1.1 串口通信电路

以串口信号通信的系统典型交联图见图1，其中大气传感器和温度传感器的信号，通过串口服务器，转换成RS-232串口信号与计算机进行通信，实现了不同设备不同信号类型之间的远距离互连互通。

从电磁兼容三要素中的干扰源来讲，串口通信电路的系统时钟信号、波特率发生器分频后的时域方波信号，用于A/D转换的FPGA以及电压转化匹配电路中的DC/DC开关频率等，都是造成RE102超差的干扰源。常用的异步接收/发送装置，如PC16550AFN芯片，内部时钟信号为12MHz，内含波特率发生器。

1.2 传输速率

串口通信线上自身的信号传输也可能成为干扰源，其干扰信号从频域上讲，和线缆上的数据传输的波特率有关。传输速率即波特率与芯片时钟的关系为：

波特率=芯片时钟/（波特率因子×16）;

其中波特率因子也是计数器个数，16为采样时钟，即1bit采样16次。

RS-232接口在20kb/s传输数率下，通过示波器可以看到电缆上存在着20kHz频率的时域方波信号，RS-422和RS-485类似。

1.3 电气结构

串口通信常见接口为DB9，接口部分为金属，虽有两个金属螺钉进行紧固，但与线缆连接的转换部分大多数为塑料材质，这样在电气结构上就不满足电连续性，为干扰源的泄露提供了良好的传输路径。

1.4 传输电缆

串口信号传输电缆也可作为干扰源的传输路径。如果使用普通导线作为串口信号传输路径，则该导线为理想的偶极子天线，其辐射效率与导线长度的关系为1/2λ。RS-232串口通信传输线理论上最长为15m，信号仍会在15m线缆上辐射出来。

2 应对措施

针对串口通信设备以上RE102测试超差风险，通过工程实践证明，可以根据串口通信的实际传输数率，在电路设计上采取滤波电路设计的方式进行处理。由于滤波在一定程度上引起传输信号的变形，因此滤波参数需要针对性的进行选取。在滤波参数选取不当时，特别是选取的滤波电容过大，虽然在RE102测试上虽然会带来更低的频率抑制，但会增大误码率，甚至严重的会引起串口通信功能的不正常。此时，通过示波器观察串口通信信号时域波形，会看到方波信号变为边沿较为平滑的波形。

因此，针对滤波电容参数的选取，需要留有一定裕量，一般在理论计算的基础上，参数减小一半或者一个量级。

另外，RS-232接口电气特性为不平衡双向接口，RS-422、RS-485为平衡双向接口，这造成了滤波电路上的差异。RS-232采用LC滤波）其中的L和C的参数需要根据RS-232实际传输速率进行选取，传输数率越高，L、C参数应越小。若传输速率为20kb/s，L一般选500Ω/100MHz，C选200pF即可达到对高频干扰信号的滤除。RS-422/485则一般选用共模扼流圈的形式进行滤波。此电路也可在靠近连接器端串连安装如TVS管的浪涌保护器件，防止接口被ESD或浪涌信号损坏，如图2所示。

对于通信线缆上传输的有用信号，只能对传输电缆进行处理，即采用带屏蔽的绞型导线作为串口信号传输线路。出于此目的，串口通信线一般选用屏蔽双绞或三绞线的形式。

3 试验验证

针对连接如图1的设备，经测试，主要在频段2MHz～30MHz超标。检查发现其串口接口采用的塑料材质，传输线缆虽为屏蔽双绞，但在接口处屏蔽层未实现360°搭接。对于串口传输线缆两端，将双绞屏蔽线的屏蔽层剥出并用铝箔进行包裹后再进行测试，结果满足要求，但裕量不多。

为进一步提高该设备的RE102水平，根据图3对接口电路进行滤波处理。了解到传输线路中最大信号传输速率为9600b/s，在线缆上加装L为500Ω/100MHz、C为0.001μF的滤波电路，在确定不影响装备正常工作后测试，结果合格且有较大裕量，其中黑色曲线为未处理前，绿色曲线为滤波处理后。

4 结语

串口通信的滤波和屏蔽设计在装备设计中常常被忽略，通常使用民品电路及接口设计。但由于装备的特殊性，需要满足更严酷的电磁环境，因此电磁兼容要求也较民品更高，这样就可能出现不满足GJB151要求的情况。民用常规串口接口形式已经不能满足装备的电磁兼容需求，而用屏蔽圆形连接器替代。串口通信的滤波设计则需要设计人员对串口通信信号实际传输速率选取合适的滤波参数，避免造成影响正常信号传输或者滤波不够而引起电磁兼容测试仍然不合格的情况。