RS-232串行通信消除干擾噪聲的設(shè)計(jì)方法分析

　　絕緣可以隔開地線、數(shù)據(jù)連接，或者把兩者都隔開。地線絕緣使得一個(gè)電路對(duì)電源震蕩和在被附近電路共用的地線中的噪聲有免疫能力。在長(zhǎng)的連接中，地線絕緣還使得連接對(duì)從一端到另一端的接地電位差異有免疫能力。絕緣數(shù)據(jù)連接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。

　　大多數(shù)的電路連接使用直接的辦法，例如焊點(diǎn)或者諸如螺母接線端或壓接這樣的機(jī)械連接。利用電鍍絕緣，一個(gè)電路的地線和信號(hào)線與其他電路沒有電阻通道，或者直接的接觸。相反，電路可以使用光或者磁耦合來(lái)傳輸能量和信號(hào)。絕緣還使得每個(gè)電路對(duì)另一個(gè)電路中的噪聲具有免疫能力。

　　實(shí)現(xiàn)電鍍絕緣的一般方法包括使用變壓器來(lái)絕緣電源和使用光隔離器來(lái)隔離數(shù)據(jù)。在一個(gè)變壓器中，在線圈繞組之間的磁耦合使得主線圈中的電流在次線圈中產(chǎn)生電流。光隔離器通過(guò)光敏電阻以及釋放和探測(cè)可見或者紅外波段中的能量的光敏二極管的方式來(lái)傳輸能量。以類似的方式，一個(gè)光纖――光學(xué)接口將二個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并且在接收器中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　為了進(jìn)行完全的絕緣，RS-232連接的每一端需要一個(gè)RS-232接口使用的一個(gè)絕緣的電源，以及一個(gè)絕緣的接口，用來(lái)穿過(guò)絕緣屏障傳輸信號(hào)。在RS-232連接中，SG是信號(hào)地。因為RS-232接收器讀取的是信號(hào)線和SG之間的電壓，一個(gè)SG上的噪聲脈沖就能導(dǎo)致接收器誤讀一個(gè)邏輯電平。?

　　在數(shù)字邏輯中，+5 V是對(duì)信號(hào)地以上5 V電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)法。當(dāng)一個(gè)電路使用不只一個(gè)電源的時(shí)候，即使電源的接地線沒有相互絕緣，使接地通路保持獨(dú)立，減少了從一個(gè)通路耦合到另一個(gè)通路的噪聲。每個(gè)電源的接地線可以使用獨(dú)立的電線和電路板，只要在電源處連接到一起。?

　　含有模擬和數(shù)字電路的電路可以為每一種電路提供獨(dú)立的接地線，只在一個(gè)電源附近的點(diǎn)，連接這兩條通路。數(shù)字地線往往是有噪聲的，因?yàn)閿?shù)字輸出在它們切換的時(shí)候產(chǎn)生了大電流，因此將它們和模擬電路分開就比較合理，這些模擬電路可能對(duì)微小的電壓變化比較敏感。?

1.1安全地線?

　　安全地線，或者保護(hù)地線，是1個(gè)大地地線連接，它通常是一個(gè)直徑很大的部分埋在地下的銅導(dǎo)線或者鍍銅管。1個(gè)電源插座上的3根導(dǎo)線中的1根就和安全地線相連，這個(gè)插座的另兩根導(dǎo)線是帶有220 V交流電壓的火線和1根零線，帶有220 V交流電的返回電流，零線連接到安全地線。這意味著所有建筑的電路零線通常在入口處有一個(gè)與建筑的連接。?

　　安全地線在出現(xiàn)故障的情況下提供了一個(gè)對(duì)地的低阻抗通路。例如，在很多電源中，有1個(gè)端點(diǎn)將安全地線和電源的底盤相連。如果底盤沒有接地并且1根松散的導(dǎo)線或者元件故障導(dǎo)致1個(gè)電壓源和底盤相接觸，這個(gè)底盤就可能攜帶高電壓。如果底盤接地了，電流就會(huì)沿著這個(gè)低阻抗通路流向大地直到保險(xiǎn)絲熔斷，電路斷開。?

　　TIA／EIA―232標(biāo)準(zhǔn)中，有一個(gè)DCE可以有1個(gè)可移動(dòng)的跨接來(lái)連接SG和安全地線。實(shí)際上，DCE和DTE上的SG線經(jīng)常和一個(gè)安全地線相連。?

1.2大地地線?

　　一個(gè)安全地線是一個(gè)大地地線。因?yàn)槿魏坞姎怆娐房梢赃B接到大地地線，所以它往往不是一個(gè)安靜的、穩(wěn)定的參考，相反它可以攜帶大量的各種類型的噪聲。可以產(chǎn)生接地噪聲的因素包括設(shè)備開關(guān)切換、電源系統(tǒng)波動(dòng)、電路故障、雷擊或者任何引起電流波動(dòng)的事件。噪聲可以表現(xiàn)為傾角，尖峰脈沖，60 Hz振動(dòng)，或者任何形式的磁、電場(chǎng)變化。

　　不同位置的大地地線相互之間可能有電氣連接，也可能沒有。它們是否相連，以及接地電壓變化多大，部分取決于在接地線連接之間的介質(zhì)的導(dǎo)電性能的好壞。?

1.3共用接地線的影響?

　　如果一個(gè)RS-232連接的兩端共享一個(gè)共用的大地地線，并且SG線也接到安全地線，從所有源頭來(lái)的接地電流將會(huì)尋找阻抗最低的通路：大地地線或者SG線。這種情況，有多個(gè)返回通路，被稱作一個(gè)接地回路，顯然這不是所希望的。如果兩臺(tái)設(shè)備處在不同的建筑內(nèi)部，使用不同的電源系統(tǒng)，SG有可能比其他通路有更小的阻抗，從其他源頭來(lái)的接地電流就可能在連接的接地線上找到它們的通路，這會(huì)導(dǎo)致連接中的一個(gè)有噪聲的接地線。一個(gè)有絕緣的接地線的連接就避免了這個(gè)問(wèn)題。?

2 電源地線的設(shè)計(jì)應(yīng)用?

　　一個(gè)絕緣的接口要求為這個(gè)絕緣屏障的每一端提供一個(gè)電源。圖2顯示了兩個(gè)絕緣的RS-232接口。每個(gè)接口使用一個(gè)雙電源，如圖1所示。在這個(gè)電源中一個(gè)變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)變成兩個(gè)次級(jí)線圈中的低電壓。一個(gè)線圈為計(jì)算機(jī)或者其他連接到光隔離器的設(shè)備端的電路提供電壓。另一個(gè)線圈為RS―232接口提供電壓。每個(gè)電源有它自己的接地線，并且這些接地線必須和一個(gè)大地地線、底盤或者信號(hào)地線沒有共同的連接。這個(gè)接口可以使用兩個(gè)完全分開的電源或者輸出沒有共享一個(gè)通用地線的電池，而不是有兩個(gè)線圈的一個(gè)電源。如何掌握一個(gè)直流電源是否與大地地線絕緣了呢?在大多數(shù)用線電壓供電的直流電源中，一個(gè)變壓器將線電壓降壓到一個(gè)較低的數(shù)值，其他元件整流、過(guò)濾和調(diào)節(jié)這個(gè)電壓的輸出到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓值。在變壓器的主線圈和副線圈之間需要的唯一的連接是主線圈中有電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁耦合。這樣，這個(gè)變壓器就能夠?qū)㈦娫摧敵雠c線電壓導(dǎo)線和安全地線絕緣。實(shí)際上，有的數(shù)字電路電源的輸出沒有連接到安全地線。在輸出端，因?yàn)殡妷汉艿?，穩(wěn)壓器限制了電流，如果電路試圖產(chǎn)生大的電流，一根保險(xiǎn)絲就將電路斷開。?

　
　　在其他電源中，輸出的接地末端連接到一個(gè)安全地，打破了這個(gè)絕緣。結(jié)果就是和其他還連接到安全地或者大地地線的電路的共享接地線。即使是這些電路處于不同的建筑中或者相距數(shù)千英尺，它們之間也可能存在一個(gè)連接。?

　　有兩線電源插座的電源可能看上去沒有安全地線連接，但是零線在外接電路插入電源的時(shí)候，是連接到安全地線的。這個(gè)電源的輸出只有在它的接地線沒有和零線相連的時(shí)候才是絕緣的。 ?

　　對(duì)于含有變壓器的電源而言，可以用一個(gè)歐姆表來(lái)查看這個(gè)輸出是否和安全地線絕緣。利用電源，量測(cè)在電源的安全地和這個(gè)直流輸出的接地線末端之間的阻抗。如果這個(gè)歐姆表顯示有連接，就表示沒有絕緣。在電源內(nèi)部、零線和安全地線應(yīng)該沒有連接。也可以用歐姆表驗(yàn)證這一點(diǎn)。?

　　有的電源不使用變壓器，它們僅僅是直接整流，降低和過(guò)濾線電壓。在這種情況下，輸出就沒有與大地地線絕緣。即使是電源插座沒有安全地線引腳，在外接電路插入電源的時(shí)候，零線也是連接到安全地線的。?

3采用光電隔離器

　　光隔離器穿過(guò)一個(gè)隔離的屏障來(lái)傳輸信號(hào)。一個(gè)光隔離器由一個(gè)與光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過(guò)發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個(gè)光敏電阻打開，導(dǎo)致在這個(gè)電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個(gè)發(fā)光二極管的基極可以留著沒有連接。從基極到發(fā)射極加入一個(gè)電阻可以導(dǎo)致更快的開關(guān)速度，但是輸出電流更低。

　　圖2的接口使用了6N1398光隔離器，它是設(shè)計(jì)用來(lái)和LSTTL邏輯直接連接的。它們的增益很高達(dá)400％，但一個(gè)發(fā)光二極管的電流只有0.5 mA。在TTL到RS-232電路中，在74LSl4轉(zhuǎn)換器的引腳3的一個(gè)邏輯低電平使得電流流過(guò)這個(gè)發(fā)光二極管，這就打開了相應(yīng)的光敏電阻，使得它的集電極處于低電平。這個(gè)MAX233將這個(gè)信號(hào)反向，然后發(fā)送一個(gè)正的RS-232電壓。

　　在74LSl4引腳3的邏輯高電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻。MAX233位于引腳2的內(nèi)部上拉電阻產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的RS―232電壓。?

　　光隔離器在另一個(gè)方向上也是以類似的方式工作。一個(gè)負(fù)的RS-232輸入使得MAX233輸出一個(gè)邏輯高電平。這個(gè)邏輯高電平將發(fā)光二極管和光敏電阻打開，導(dǎo)致在74LSl4的引腳1的邏輯低電平和引腳2的邏輯高電平。一個(gè)正的RS-232輸入導(dǎo)致MAX233輸出一個(gè)邏輯低電平。這個(gè)邏輯低電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻。一個(gè)上拉電阻將74LSl4的引腳l拉到高電平，導(dǎo)致在引腳2處出現(xiàn)邏輯低電平。?

　　RS-232到RS-232電路顯示了怎樣通過(guò)使用一個(gè)RS-232輸出來(lái)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)絕緣一個(gè)現(xiàn)有的，未絕緣的RS-232接口。當(dāng)RS-232電壓為正的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管打開，并且這個(gè)絕緣的RS-232輸出也是正的。當(dāng)這個(gè)未絕緣的輸出為負(fù)的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管關(guān)閉，并且一個(gè)二極管將這個(gè)電壓限制在大約-0?7 V。在另一個(gè)方向上，電路類似于它上邊的電路，除了因?yàn)檫@個(gè)未絕緣RS-232已經(jīng)將信號(hào)反向，因而不需要一個(gè)LS74系列的反向器以外。

?

圖2光耦合器從TTL到RS-232或從現(xiàn)有的RS-232到一個(gè)絕緣的RS-232形成一個(gè)絕緣的接口?

　　對(duì)于最底下電路的V_CCl，如果沒有其他用途的話，可以在D_TR或者R_TS使用一個(gè)正的輸出。這個(gè)電路在V_CCl這一邊的電纜應(yīng)該較短。光敏電阻的開關(guān)時(shí)間是幾微秒，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度不會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸速度為?20 kb/s?或者更低的時(shí)候?qū)е氯魏螁?wèn)題。對(duì)于更快的波特率，應(yīng)該尋找一個(gè)開關(guān)時(shí)間為這個(gè)位寬度的1/10或者更短的發(fā)光二極管。?

　　另一個(gè)實(shí)現(xiàn)絕緣接口的方法是為接口的RS-232―端使用一個(gè)獨(dú)立的、絕緣的+12 V電源。這也使能夠使用較便宜的1488／9驅(qū)動(dòng)器和接收器。?

　　此外，可以選用Max252接口，Max252是一個(gè)在一個(gè)單一的封裝里的完整的、絕緣的RS-232接口。這個(gè)芯片包括一個(gè)石英諧振器和一個(gè)微型的變壓器，這個(gè)變壓器從芯片的5 V電源產(chǎn)生一個(gè)隔離的電源。它還有兩個(gè)光隔離的驅(qū)動(dòng)器／接收器對(duì)。?

　　絕緣連接的另一種方式是使用光纖電纜來(lái)取代銅導(dǎo)線。光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，它們對(duì)接地噪聲和電磁干擾有抵抗力，并且自身不產(chǎn)生電磁干擾。光纖電纜往往可以在1～2.5 mil之后才需要使用轉(zhuǎn)發(fā)器。?

4 電涌保護(hù)設(shè)計(jì)?

　　電涌保護(hù)是使電路免受噪聲或者破壞性電壓和電流攻擊的有效方法。理想的電涌保護(hù)應(yīng)該吸收所有處在連接操作范圍之外的電壓和電流，而不在任何方面限制連接的傳輸。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可在連接中添加電容，以避免由于電壓波動(dòng)而造成的不良影響，因此也限制了最大的波特率。?

　　在正常的操作中，這個(gè)保護(hù)設(shè)備表現(xiàn)出很高的電阻，因此事實(shí)上對(duì)于傳輸電路而言是不可見的。當(dāng)線路存在一個(gè)高電壓涌流時(shí)，保護(hù)設(shè)備打開，提供了一個(gè)到地的電阻通道。?

　　兩個(gè)有用的涌流抑制設(shè)備是TVS二極管和氣電管。TVS(瞬時(shí)電壓抑制)二極管在關(guān)閉的時(shí)候有很小的電容，且反應(yīng)迅速(10??-12? s)，并且可以在很大擊穿電壓范圍內(nèi)使用。氣電管要慢一些，但是可以在更高的電壓下提供保護(hù)。有的連接兩者都使用。每一種設(shè)備應(yīng)該連接穿過(guò)一個(gè)接地跨接或者其他直接與大地地線的低阻抗連接。?

參考文獻(xiàn)

1（美）Mark Nelson.串行通信開發(fā)指南. 北京:中國(guó)水利出版社,2000,9?
2（美）Jan Axelson.串行端口大全.北京:中國(guó)電力出版社,2001,5?
3范逸之.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國(guó)青年出版社，2000,8