工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术

在由微机组成的多机或互联网络的工控系统中，串行通信接口方式是经常用的。

串行通信方式不仅接口电路比较简单，可以方便地实现长距离传输，而且相对于并行通信，抗干扰能力比较好。

异步串行通信接口标准有三类可供选择，ＲＳ－２３２Ｃ、ＲＳ－４９９、ＲＳ－４２２Ａ／４２３Ａ／４８５通信标准和２０ｍＡ电流环非标准的串行接口，同时还可以借助最新出现的ＣＡＮ总线标准来优化串行通信。

但是，在工业测控环境中，电磁环境往往十分恶劣，因此在传输线的选择，接口标准的选择要充分考虑其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施，保证通信的可靠性。

１传输线效应及其主要参数当传输信号的速度与导线的长度同为一个数量级时，信号就会产生传输线效应。

传输线有其特征阻抗，假如信号在传输线上传输而不采取任何措施，当传输线上某处出现阻抗突变（不匹配）时，则会产生传输线效应，其传输信号将发生畸变或衰减。

表现为：信号通过就会发生反射，反射对原信号造成干扰，严重时就会影响电路的正常工作；接收端信号过冲振铃、上升沿出现抖动、波形前沿变差、信号幅度下降，这将破坏系统的可靠运行。

１．１传输线特性阻抗Ｚ０传输线可看作是由分布电感和分布电容所组成，其特性阻抗为Ｚ０＝Ｌ０／Ｃ０!。

其中Ｌ０、Ｃ０是单位长度传输线的分布电感和分布电容，它们与导线的结构、导磁率及介电常数有关。

因此，对于计算机系统中传输信号的各类导线，其特性阻抗均不同，参考值如表１所示。

表１各类导线的特性阻抗参考值１．２延迟时间由传输线效应引起的信号延迟时间τ＝ｘＬ０Ｃ０!。

式中ｘ为传输线的长度。

由此可知，导线单位长度内的电感量、电容量越大，导线长度越长，则延迟时间也越长。

１．３反射系数信号按一定的速度在传输线路中传输，当输入电压经分布电感、电容一直传输到传输线终端时，此时一般会出现阻抗不连续点，由于电流不能发生突变并有反向感生电动势，因而引起反射波向源端传输。

这样，原来的电波与反射波相互重叠，引起波形失真。

设Ｖｏ为入射电压，ＶＲ为反射电压，则电压反射系数ＫＶ＝ＶＲ／ＶＯ＝（ＺＬ－ＺＯ）／（ＺＬ＋ＺＯ）。

反射系数直接影响到信号传输的失真度。

１．４传输线效应的特点传输线效应的特点是引起波形畸变的现象是一种暂态过程，通常不会影响电路的静态逻辑功能，仅可能造成暂时性故障。

但这种暂时现象足以造成严重后果，传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降，如视频同轴电缆由于阻抗不匹配造成的影响在视频图像上表现为重影；在控制信号传输线阻抗不匹配会将在脉冲序列的前后沿形成震荡，震荡的存在使高低电平间的阈值差变小，当震荡的幅值再大或有其他干扰引入时就无法正确分辨出脉冲电平值，导致通信时间变长或通信中断，使系统工作不可靠。

根据电磁理论，减少长线上信号反射的有效途径是阻抗匹配。

２阻抗匹配技术阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。

信号由传输线传输到终端，若无反射波产生，则此时的终端阻抗与传输线阻抗称为匹配，即ＺＬ＝ＺＯ。

当传输线终端匹配时，传输的信号电压波没有被反射，电流平稳地进入负载；当传输线始端匹配时，终端的反射波等于入射波，反射波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，整个传输线被充电而达到稳定状态，不再有反射。

采用匹配的方法来消除反射，使信号可靠传输。

根据信号传输的方向，可采用终端匹配、始端匹配和总线匹配的方法。

２．１终端匹配终端匹配方法即在传输线终端接一个阻抗为ＺＯ的负载，由此满足ＺＬ＝ＺＯ为最佳匹配，此时，传输无反射现象。

在单个发射源单个接收源的相互通道中传输信号，常采用这种匹配方法。

终端匹配常采用的接法有以下三种。

２．１．１匹配电阻反馈到电源电压如图１所示，将终端匹配电阻ＺＬ＝ＺＯ跨接于接收端及Ｖｃｃ端，利用Ｖｃｃ对交流而言为接地的特点，构成对地回路。

如果发送端为ＯＣ门，则采用该方法更为方便。

该方法波形改善效果较好，对输出电平影响不大，仅低电平略有提高。

但由于电阻ＺＬ接入，势必消耗一部分有用功率，所以需考虑增加发送端的吸流负载。

工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术叶志琼郑春华（福建省湄洲湾职业技术学院电子系，福建莆田３５１２００）ＩｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＳｅｒｉａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ摘要针对工控系统串行通信传输线的主要参数及其效应进行了分析和讨论，根据电磁理论，提出了抑制传输线效应的有效措施—阻抗匹配技术。

从提高工控系统可靠性的角度出发，对信号反射的不同形式给出了相应的阻抗匹配解决方案，同时提供了相应的电路原理图，具有实际的工程应用价值。

关键词：阻抗匹配，传输线效应，抗干扰ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｒｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｐａ－ｐｅｒ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＥＭＣｔｈｅｏｒｙ，ｉｔｃｏｍｅｓｕｐｗｉｔｈａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｉｎｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇｓｉｄｅ－ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ．Ａｉｍｏｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｉｎｄｅｔａｉｌ．ｉｔｉｓｏｆｆａｉｒｌｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖａｌｕｅｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ导线类型同轴电缆双绞线扁平线印刷板平行线特性阻抗５０Ω、７５Ω、１００Ω１００～２００Ω１３０～１５０Ω２００～３００Ω工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术１６《工业控制计算机》２００６年１９卷第１０期２．１．２匹配电阻反馈到地终端并联阻抗匹配，即在接收端与地之间跨接一个匹配电阻ＺＬ＝ＺＯ，如图２（ａ）所示，该法显然增加了发送端的放流负载，这对于一般ＴＴＬ电路来说是不能胜任的，常用于ＦＡＣＴ电路。

终端阻容匹配，即跨接一个电阻和电容来实现隔直阻抗匹配，如图２（ｂ）所示。

当Ｃ较大时，其阻抗接近于零，只起隔直流作用，不会影响阻抗匹配。

因此，只要Ｒ＝ＺＯ就可以了，电容的选取满足：Ｃ≥１０Ｔ／（ＲＳ＋ＺＯ）。

其中Ｔ为传输信号脉冲宽度，ＲＳ为始端低电平输出阻抗（约为２０Ω）。

这种终端阻容匹配方法有助于提高信号电平的抗干扰能力。

终端箝位二极管匹配，如图２（ｃ）所示。

由于终端输入的低电平箝位至０．３Ｖ以内，可以减少反冲与振荡现象，而且有了二极管，可以吸收反射波，减少了波的反射现象以及线间串扰，提高动态抗干扰能力。

图２匹配电阻反馈到地２．１．３电阻分压式匹配如图３所示，在接收端并接两个电阻，一个电阻跨接到Ｖｃｃ端，另一个电阻则跨接到地，使得ＺＯ＝（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２），采用电阻分压法可增大Ｒ１、Ｒ２的取值，从而减少了对发送端驱动器的负载要求。

若Ｒ２选取小值，则低电平拉入电流大，而使输入的低电平抬高；若Ｒ１选取小值，则使流入的电流增加，降低了高电平。

因此要权衡考虑，通常其电阻取值必须满足条件：Ｒ１Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｚ０"Ｒ１＝ＺＯＶｃｃ／ＶＩＨ（１）Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｖｃｃ＝ＶＩＨ"Ｒ２＝ＺＯＶｃｃ／（Ｖｃｃ－ＶＩＨ）（２）一般ＴＴＬ器件ＶＩＨ２．４Ｖ，当ＺＯ＝１５０时，则可取Ｒ１＝Ｒ２＝３００，即可达到完全匹配。

２．２始端匹配在单个发送源对多个接收源进行相互通信时，由于电路中每个分支距离的不一致，引起延迟时间不同，这将导致多重辐射现象。

这时要达到每个分支均匹配、完全消除反射则相当困难，且由于接收端路数不同而直接影响接收端的负载电阻，所以不能采用终端匹配，可采用始端匹配，如图４所示。

始端匹配就是将匹配电阻置于信号发送端，其方法是在始端串接一个电阻ＺＳＬ，使ＺＳＬ＋ｒ＝ＺＳ＝ＺＯ（ｒ为信号源内阻）。

当ＺＬ＝ＺＯ时，可知发送端电压为Ｅ／２，即为ＺＳ与ＺＯ的分压比。

此时仅当终端电阻开路时（ＺＬ＝∝），终端电压才为信号电压Ｅ，因此始端匹配是有一定局限性的，要求接收端的输入阻抗尽可能高，该方式适用于ＭＯＳ电路或ＦＡＣＴ电路。

使用始端匹配时，还必须注意：虽然其输入端波形得到了匹配，但输出端波形会出现阶梯形状，因此接收端不能与发送端距离过近。

该方法的优点是避免了功率的损耗。

同时，为了尽可能地消除多重反射，设计电路时应注意：器件要尽可能靠近驱动器，以减少连线长度；各信号连线要平行、均匀分布，以使得传输线上的ＺＯ分布尽量一致。

２．３总线匹配在多发送端对多接收端的互联系统以及双向长线传输中，始端及终端的概念变得模糊，因此除考虑接收端总的负载阻抗外，还应采用相应的措施。

２．３．１ＲＣ串联端接方式如图５所示，电路设计将一个４３ｐＦ电容Ｃ与２２０欧电阻Ｒ串接到Ｖｃｃ端。

在静态时，由于电容隔直流，上拉电阻对传输线是开路的，即稳态时匹配电路不会影响正常工作；而动态时，由ＺＬ＝Ｒ＋１／ｊωＣ达到匹配效果，从而改善了波形。

２．３．２戴维宁（Ｔｈｅｖｅｎｉｎ）并行端接方式如图６（ａ）所示。

在双向长线传输中采用的是戴维宁式并行端接方案，即分压器型端接。

戴维宁等效阻抗可表示为Ｚｏ＝（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２），通常其电阻的取值应满足式（１）和式（２）。

图６双向长线传输的阻抗匹配实际应用中Ｒ１和Ｒ２的取值可取大一点，从而减少对发送端驱动器的负载要求。

此方案可以做到传输线特性阻抗的完全匹配，缺点是要消耗直流功率。

在ＩＥＥＥ－４８８总线中采用的即是这种匹配方案。

某些情况可以使用图６（ｂ）的方案：肖特基二极管或快速开关硅管并行端接，条件是二极管的开关速度必须至少比信号上升时间快４倍以上。

在传输线阻抗不好确定的情况下，使用二极管端接即方便又省时。

肖特基二极管的低正向电压降Ｖｆ（典型值０．３～０．４５Ｖ）将输入信号箝位到ＧＮＤ－Ｖｆ和Ｖｃｃ＋Ｖｆ之间，这样就显著减小了信号的过冲（正尖峰）和下冲（负尖峰）。

二极管端接的优点在于，二极管替换了需要电阻和电容元件的戴维宁端接或ＲＣ端接，通过二极管箝位减小过冲与下冲，不需要进行传输线的精确阻抗匹配。

有时也可以只端接一个二极管。

３结束语使用阻抗匹配对抑制传输线效应是一种方便、有效的途径。

在实际设计中只有根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件，选用合适的传输线及其布局方式，结合“长线驱动”、“屏蔽问题”、“光电耦合隔离”等，全面地考虑系统的信号传输可靠性，使绝大多数信号传输线路都能够取得良好的抑制干扰的效果，从总体上提高工控系统工作的可靠性。