星型拓扑RS422信号传输特性研究

第１期　雷达科学与技术　Ｖｏ１．１４　Ｎｏ．１　２０１６年２月　Ｒａｄａｒ　ＳＣｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１６　星型拓扑ＲＳ４２　２信号传输特性研究　段晓超　，段玲琳　。李化雷　（１．中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥２３００８８；　２．通航飞控实验室，安徽合肥２３００８８）　摘　要：为了保证传输信号的完整性并降低数据传输的误码率，标准推荐的ＲＳ４２２信号级联拓扑形式　为链式结构，并明确不推荐星型结构和环型结构拓扑。从传输线理论和ＲＳ４２２信号传输特性入手分析，通　过合理的电路参数匹配设计，比较论述不同参数对信号质量的影响。通过实际电路测试试验验证，给出了　一种满足工程应用的ＲＳ４２２星型拓扑结构及电路匹配参数选取方法，并给出了推荐使用条件和限制条件，　对工程实践中需要使用星型拓扑连接方式的应用具有一定的指导作用和借鉴意义。　关键词：ＲＳ４２２信号；星型拓扑；参数匹配；信号完整性　中图分类号：ＴＮ９１９．３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２－２３３７（２０１６）Ｏ１—００９１—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｎ　Ｓｔａｒ　Ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ＲＳ４　２　２　Ｓｉｇｎａｌ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ＤＵＡＮ　Ｘｉａｏｃｈａｏ　一，ＤＵＡＮ　Ｌｉｎｇｌｉｎ　，ＬＩ　Ｈｕａｌｅｉ　（１＿Ｎｏ．３８　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｈｅ　２３００８８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００８８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｉｎ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ－ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ＲＳ４２２　ｓｉｇｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｂｕｔ　ｎｏｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｒ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｒｉｎｇ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅｓ　ａｎｄ　ＲＳ４２２　ｓｉｇｎａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｒｏｐｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａ　ｓｔａｒ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｔｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｉｍｉｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＲＳ４２２　ｓｉｇｎａｌ；ｓｔａｒ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ；ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　０　引言　１　传输原理　ＲＳ４２２标准的全称是“平衡电压数字接口电路　之所以存在不同拓扑结构会影响信号传输特　的电气特性”，由美国电子工业协会（ＥＩＡ）制定并发　性的问题，是因为电路收发端之间总是需要传输　布。作为一种业界最常用的串行数据通信接口标　线进行信号连接，进而产生了信号的传输线效应，　准，其具有抗共模干扰能力强、驱动能力强、传输距　特别是对数据率高的信号尤为明显。　离远、支持总线传输、信号容差性好等诸多优点，目　前被广泛应用在多种工控数据通信场合。对于　１．１传输线特征阻抗　ＲＳ４２２传输电路，标准给出的经典拓扑连接方式为　对于特性单一均匀的传输线，可以等效成无　链式结构。但在某些特定的应用场合，如对含有多　数个微电阻、电感和电容串并联组成的电路模型，　个固态组件的雷达发射机实施监控　］，由于受多个　如图１所示　。　接收端的物理位置、接收端电路的一致性要求、可靠　Ｚ　Ｚ　Ｚ　性设计和失效影响分析等因素所限，工程中无法顺　利使用经典的链式拓扑结构，而不得不使用星型拓　扑结构形式。本文就如何有效使用ＲＳ４２２的星型　拓扑连接方式给出必要的参数选取和试验结果。　图１　传输线等效电路模型　收稿日期：２０１５—０７—０６；修回日期：２０１５—０８—１５　９２　雷达科学与技术　第１４卷第１期　爪　图示电路的输入阻抗ｚ。为　Ｚ。一Ｚ＋　／／Ｚ。　可以求出：　ｚ。一　（１＋％ｒ　（１）　反　一　射Ｚ—Ｚ　／４　）　（２）　图３经典ＲＳ４２２拓扑连接图　一　对于低损耗的传输线，其电阻损耗Ｚ很小，主　要表现为感抗特性；线间电导ｙ主要表现为容性阻　抗，故ｚ可以简化成微电感（即Ｌ一０），Ｙ可以简化　成微电容（即ｃ一０），求极限后得　７一／＼／　｜Ｌ　（３）　从式（３）可以看出，传输线的特征阻抗Ｚ。只与　其制造材料和成型工艺有关，而与传输线的长短无　关，概念上也不同于传输线的直流欧姆阻抗Ｒ。。　１．２　反射特性　为了研究信号的传输特性，还需要推导出反射　系数和传输线特征阻抗之间的关系，如图２所示。　ｚｎ　入射波电压　发射波电压ＶＨＥＦ　图２　电路反射特性模型　由图２可知：　ｚ．－一　（４）　Ｚｏ　Ｚ０　（５）　从式（５）可以看出，只有当Ｚ　一Ｚ。时反射系　数才等于０。否则必然存在反射波，即入射波的能　量没有被负载完全吸收，反射回来的信号势必叠　加影响入射波，使波形进一步恶化。反射是造成信　号波形上冲、下冲和振铃的直接原因，是高速数字　电路中最常见的信号完整性问题。　对于ＲＳ４２２传输电路，标准给出的经典拓扑连　接方式为如图３所示的链式结构。从图中看出在同　时连接多个接收器的应用场合时，需要在最后一个　接收器前端并接一个终端匹配电阻Ｒ　，同时要求　中间接收器的分叉线长度Ｌ　尽可能短＿３　Ｊ。　在接口芯片的用户资料或设计指导手册上，　一般还会特别强调不推荐用户采取星型结构和环　型结构，因为这两种拓扑结构破坏了传输线匹配　特性，对保证传输信号的信号完整性非常不利　。　２　试验条件　为了深入研究ＲＳ４２２信号的传输特性，特地　设计了专门的试验电路进行实际测试，使用到的　元器件和材料参数如下：　驱动器：型号ＪＳ２６Ｃ３１ＢＤ，高电平输出阻抗约　为９　Ｑ，低电平输出阻抗约为７　Ｑｌ５］，试验中取平均　值８　ｎ进行计算。　接收器：型号ＪＳ２６Ｃ３２ＢＤ，输入阻抗在４～　２０　ｋＱ之间　］，试验中取１０　ｋＱ计算。　传输线：ＡＷＧ２６双绞线，差分阻抗和单端阻　抗均约为１２０　Ｑ。　传输信号：最高频率为５　ＭＨｚ的时钟方波　信号。　２．１链式拓扑试验　链式拓扑是标准推荐的ＲＳ４２２经典拓扑结　构，如图３所示，只要保证各分支的抽头长度Ｌ　尽量短就可以获得理想的波形。各分支的抽头长　度应满足如下公式：　ｔ—　Ｌ　≤÷×０．６ｃ吐　　（６）　式中，ｔ　为信号的上升沿时间，Ｃ为光速。例如，在　上述试验中波形的上升沿时间为１０　ｎｓ，则抽头长　度最大不应超过４５　ｃｍ。图４为收端匹配电阻时驱　动器正端和接收器正端的实测波形图。　从图４中可以看出，波形的上升／下降时间均　在１０　ｎｓ以内，过冲约为１　Ｖ，这在差分电路中不会　引起问题。经计算，接收端的匹配电阻上约产生　０．１５　Ｗ左右的热耗，这对驱动器端的热设计和长　期运行的可靠性都非常不利。　２０１６年第１期　段晓超：星型拓扑ＲＳ４２２信号传输特性研究　９３　…￣Ｖ／ｄｉ．。■一…。　…■…　…　…　…＿　■…０…０…０…　０…■…０…０…■　…　。。『¨…『¨…　…　…『＂…＿¨…　…『”…　ｉ　；　；　“；　（ａ）驱动器正端波形　０．９Ｖ００　『ｖ　７　ｆ　Ｊ　Ｉ　Ｖ∞　：　…　…　…　…■…　一　…　『¨…　…ｊ　；　ｓ　一　；　（ｂ）接收器正端波形　图４链状结构试验波形图　２．２发端串联匹配　发端匹配是一种将匹配电阻串接在ＲＳ４２２发　送端的匹配方式，如图５所示。　潮　＿＿）ｏＯ（　驱动器　图５发端匹配电路图　图中Ｒ　的选取为１２０　Ｑ。这样，从驱动器端　输出的信号将以半幅度进行传播，由于接收端呈　高阻态，反射系数约等于１，信号在发端将叠加到　满幅，发射波达到驱动器后也不再继续反射。但此　种匹配方式的缺点是必须保证传输线延时远小于　信号的码元周期。如果电信号在双绞线中的传输　速度为０．６ｃ（ｃ为光速），则２　ｍ传输线的往返延时　约为２２　１３．８。为了保证传输信号的完整性，信号　的理论最高频率为２２．７　ＭＨｚ，但限于收发端芯　片性能的限制，工程中不可能达到如此高的传　输频率。　５　ＭＨｚ信号的理论最远传输距离为９　ｍ。图６　给出了点对点２　ｍ传输线长时的实测波形图，在　接收端波形的边沿特性及单调性保持仍较理想，　上升／下降沿时间依然在ｌＯ　ｎｓ以内，满足工程使　用要求。　显然，采取发端匹配时匹配电阻的功耗仅几　十微瓦，比收端匹配要小得多。　……　·……｛……一一…一｝　……｛……一＋一…－－｝…·　－　－…－：　…　…■－－－－　…　…０…－｜　；　；　０…■…．０．．．．０…■０…ｊ　ｉ　；　ｊ……■…．．．＿　＿……ｊ……　ｊ……＿＿｜　（ａ）驱动器正端波形　…’『¨…　『¨…　一　…　…‘　；　｛……一…～一……　……一　……－｛…一　…　…■～　…　…¨…　…　…■…｝…｜¨…ｊ……　（ｂ）接收器正端波形　图６点对点发端匹配波形图　２．３星型拓扑连接方式　在使用星型拓扑连接方式时，当然在每个接　收器端分别并接匹配电阻Ｒ　可以有效保证接收　端的信号完整性，但此时驱动器端的输出驱动电　流将大到器件不能接受。根据２．２节的分析试验　结果，考虑使用发端匹配技术。同时考虑到不同路　径的反射波叠加效应，下面重点研究４分支星型拓　扑结构中分支等长的应用情况，如图７所示。　图７　４分支星型拓扑发端匹配等长分支图　９４　雷达科学与技术　第１４卷第１期　根据传输线理论，对于４分支的发端匹配连　接，电阻Ｒ　的选取应满足条件：　Ｒ　ｓ＋４×Ｒ　ｏ—Ｚ。　（７）　式中，Ｒ。为驱动器的输出阻抗。据此计算，Ｒ　的　理论值为８８　Ｑ。由于４路接收器存在较大的并联　电容，当传输线长度Ｌ为２　ｒｎ±５　ｃＩｎ时，经过反复　试验验证，Ｒ　的取值为１２０　ｎ时波形质量最理想，　试验实测波形如图８所示。　：Ｏ．ｇＶ８‘　＿Ｉ一　／　ｌ　＼　／　一　一　Ｉ．咀　＾　一　……■……一ｉ……　ｊ……■……上……ｊ……■……上…一！　篓　图８　４分支星型拓扑发端匹配等长分支波形图　从图中可以看出，接收端（１通道）的波形质　量比发送端（２通道）略好，测量两者波形的上升／　下降沿，分别约为２０　ｎｓ和２５　ｎｓ，但相比点对点的　发端匹配电路，收发端波形的边沿均有所恶化，但　依然可以满足工程应用要求。　进一步的试验证明，当４条传输线的长度不相　等时，特别是长度差大于５０　ｃｍ后，收发端的波形　均有明显恶化，５　ＭＨｚ频率下的通信误码率明显　提高，已不适合工程应用。　为了得出接收端数量增多会进一步恶化通信　效果的结论，又进行了８分支２　ｒｎ等长分支的试　验。按照式（７）的要求并经试验验证，Ｒ。取值７５　Ｑ　为宜。此时收发端的波形前后沿均较４分支（图８）　有进一步恶化，并出现较明显的抖动，但仍可满足　通信误码率要求，可以在工程中应用。　３　结束语　综合以上理论分析和试验数据，说明ＲＳ４２２　信号在合理的电参数设计条件下可以使用星型拓　扑结构，但为了保证信号完整性和传输误码率，应　满足以下约束条件：（１）使用发端匹配电路，且各　分支的传输线特征阻抗和接收器输入阻抗特性必　须相同，传输线长度差应控制在５　ｃｍ以内；（２）不　得用于长线传输，如５　ＭＨｚ传输速率时建议分支　长度不大于５　ｒｎ；（３）发端匹配电阻Ｒ　ｓ按式（７）的　原则进行选取，可适当放大阻值；（４）接收端数量　建议不大于８个，且越少越有利于保证收发端波形　质量；（５）ＰＣＢ设计时要求差分线等长，印制线对　参考平面的特征阻抗为１２０　Ｑ±１０　，线间紧耦　合，线间距为１倍线宽；（６）各收发端有效共地，严　禁信号浮地传输。　参考文献：　［１］李冬芳，崔忠林．基于串行总线和分布式测控的发射　监控系统［Ｊ］．雷达科学与技术，２００６，４（６）：３８２—　３８６．　ＬＩ　Ｄｏｎｇｆａｎｇ，ＣＵＩ　Ｚｈｏｎｇｌｉｎ．Ａ　Ｔｒａｎｓｍｉｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｅｒｉａ　Ｂｕｓ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｍｅａｓｕｒｅ　ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ＣｏｎｔｒｏｌＥＪ］．Ｒａｄａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２００６，４（６）：３８２—３８６．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［２］朱亚地．高速ＰＣＢ信号反射及串扰仿真分析ＥＤ］．西　安：西安电子科技大学，２０１２．　Ｅ３］ＳＯＬＴＥＲＯ　Ｍ，ＺＨＡＮＧ　Ｊ，ＣＯＣＫＲＩＬ　Ｃ．ＲＳ一４２２　ａｎｄ　ＲＳ－４８５　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａ—　ｔｉｏｎｓ［Ｒ］．Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ：Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２０１０：　１４—１５．　［４］刘健．提高串行总线的可靠性［Ｊ］．硅谷，２０１０（６）：　３４—３６．　［５］ＪＳ２６Ｃ３１四路差分驱动器技术说明书Ｅｚ］．无锡：中国　电子科技集团公司第五十八研究所，２０１３：５－６．　Ｅ６］ＪＳ２６Ｃ３２四路差分接收器技术说明书［ｚ］．无锡：中国　电子科技集团公司第五十八研究所，２Ｏ１３：５．　作者简介　段晓超男，１９７８年２月出生于安徽　宿州，工学硕士，现为中国电子科技集　团公司第三十八研究所高级工程师，　主要研究方向为大型相控阵雷达波控　系统、卫星有效载荷测控系统以及浮　空器测控系统的设计开发。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｃｈａｏｄｕａｎ＠１６３．ｅｏｍ