ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2009年第49卷第5期2009,V o l .49,N o .5w 16h ttp : qhxbw .ch inaj ournal.net .cn RS -485总线的高速串行远距离数据传输方法李 成, 王 鹏, 丁天怀, 陈 恳, 耿立中(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)收稿日期:2008206220作者简介:李成(1977—),男(汉),天津,博士后。
通讯联系人:丁天怀,教授,E 2m ail :dlnj @tsinghua .edu .cn摘 要:为实现工业参数的高速远距离长线传输,应用FPGA 技术,设计并实现了一种基于R S 2485总线的高速串行数据传输方法。
分析R S 2485数据传输的影响因素,阐述系统总体结构,由时钟脉冲传输测试确定了外围接口。
利用串行信号的跳变沿作为高速时钟采样检测的起点以实现位同步,采用8B 10B 的链路编码方案,支持高速时钟恢复和数据帧同步,并以双绞线作为传输介质进行了数据传输实验。
结果表明:系统在20M b s 传输速率下实现了串行编码数据流沿220m 双绞线电缆的高速远距离数据传输,误码率可达10-11,为现场原始数据监测提供了高效的传输方法。
关键词:串行通信;R S 2485总线;高速;远距离数据传输中图分类号:T P 274文献标识码:A文章编号:100020054(2009)0520068204RS -485bus -ba sed h igh -speed ser i a lrem ote da ta tran s m ission m ethodL I C he ng ,W ANG P eng ,D I N G Tia nhua i ,CHE N Ke n ,GENG L izhong(D epart men t of Prec ision I n stru men t and M echanology ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na )Abstract :A h igh 2speed serial data trans m issi on m ethod based on R S 2485bus is developed by using FPGA techno logy to i m p lem ent the high 2speedremo te long w ire trans m issi on fo r industrialparam eters .T he effects on R S 2485bus 2based data trans m issi on are analyzed .T he p rinci p le structure of system is illustrated,and then the peri pheral interface circuits are determ ined by pulse trans m issi on experi m ents .T he rising falling edges of serial signals are used as the start sym bo ls fo r h igh 2speed clock samp ling to enable bit synch ronizati ons .T he 8B 10B encoded data stream s m ake ti m e 2clock recovery and data fram e synch ronizati ons feasible .T hedatatrans m issi onexperi m ents using tw isted 2pair cableas trans m issi on m edia are perfo r m ed .T he results show that thedevelopedsystemcan perfo rmthehigh 2speedremo tedatatrans m issi on along 2202m tw isted 2pair cable at trans m issi on rate up to 20M b s w ith an erro r rate of 10-11,w hich offers an effectivetrans m issi on m ethod fo r the raw monito ring data co llected in thefield .Key words :serial comm unicati on;R S 2485bus;high speed;remo tedata trans m issi onR S 2485总线系统具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉、传输距离远等优点,现广泛应用于工业控制、小区监控、水情监测、地震勘探等领域[1-2]。
R S 2485接口标准通信的最大传输距离为1200m ,通信速率限制在93.75kb s ;当通信距离为100m 时,通信速率可达12M b s 。
但现有R S 2485系统一般工作在较低传输速率,传输效率也较低。
总之,对工业应用而言,目前通常R S 2485的最大传输距离为1200m ,最高速率在10M b s 左右[3],从而制约了工业环境下高速、远距离通讯的应用。
因此,为实现工业现场参数的高速远距离长线传输的需要,以R S 2485标准为物理层基础,比较选用最新接口器件,应用V HDL 语言,基于FPGA 平台,设计并实现了一种R S 2485高速远距离数据传输方法。
1 RS -485传输性能分析R S 2485电路具有分布参数特性,其电气特性及信道响应主要由传输电缆、连接器、终端匹配负载及连接到总线上的R S 2485器件所组成的物理介质的分布电感及电容决定。
因此,R S 485传输性能主要与电缆特性、总线阻抗、信号处理方法,以及节点布局与屏蔽等因素有关。
1)电缆特性。
传输电缆的特性阻抗、长度及架构影响R S 2485数据传输[3]。
电缆的分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度,进而降低噪声裕量,而分布电阻直接导致信号电平的衰减。
最大的电缆长度取决于电缆直流环路阻抗与终端阻抗的分压,且电缆长度与传输速率的关系还与可接受的信号抖动有关[4]。
虽然屏蔽电缆可增强噪声抑制能力,提高传输性能,但平衡特性较差且增加质量,降低安装的灵活性。
因此,在野外布线时会选择非屏蔽双绞线。
2)阻抗设计。
由终端电阻、偏置电阻和R S 2485收发器三者构成的纯阻性负载影响通信性能。
长传输电缆可等效为传输线,为降低阻抗不连续导致的总线内信号反射,需匹配与电缆特性阻抗等值的终端电阻。
R S 2485网络中大多数双绞线电缆特性阻抗约为100～1208。
当传输距离小于1 6倍的传输信号波长,则无需终端匹配。
设脉冲信号的上升时间为T r ,则传输信号的波长Κ为[5]Κ=cTr0.56.(1)式中c 为电磁波波速。
针对终端匹配负载与R S 2485收发器之间印刷电路短线引起的反射,可缩减短线长度使其表现为集中负载。
因此,必须选用噪声裕量大的高速R S 2485器件,由实验确定匹配参数,通过降低总线负载,以提高传输速率。
3)信号处理。
当R S 2485传输速率较高时,电缆的寄生RC 时间常数作用于不同码型时会造成不同的延迟时间与延迟抖动。
而且,串行数据流中存在的连续“0”和“1”会使信号直流电平漂移,导致接收器因得不到足够的跳变信号而跑偏。
因此,在一定传输速率下,为改善信噪比,除选择低衰减的电缆外,在基带数据发送前需进行信道编码以调整直流电平,并可在发送 接收端采用预加重[6]或均衡[7],补偿高频分量的衰减,提高接收信号强度。
图1 传输系统结构框图2 系统原理及设计根据对R S 2485高速远距离传输性能的影响分析,设计了图1所示的系统结构框图,主要由发送通道和接收通道组成。
其中发送通道由8B 10B 编码、并 串转换、时钟产生单元及数据发送组成;接收通道由10B 8B 解码、串 并转换、时钟恢复单元及数据接收组成。
整个传输系统的物理层由FPGA 器件、R S 2485接口电路和传输电缆构成,其中FPGA 实现数据打包、同步帧插入、并 串与串 并转换、编解码、时钟提取与恢复、数据接收与识别,以及CRC 校验等功能。
2.1 硬件设计为提高由传输电缆和R S 2485器件组成信道的高速传输性能,缩小了接口器件与电缆间的连线,选用高频电缆插头,进行了多层印刷电路板设计,并进行了5、8、10M H z 时不同R S 2485器件的时钟信号传输测试。
图2示出了10M H z 时钟信号经220m 双绞线(直流电阻值为9.48)后不同器件的接收响应波形。
表1为实验的几种典型高速芯片。
表1 测试的RS -485高速器件芯片型号生产公司最高传输速率(M b s -1)M A X 3468M A X I M40SN 65HVD 1176T I 40ISL 4486I N T ER S I L40SN 65HVD 23DT I25 图2中每个视窗内上、下波形分别为R S 2485发送端和经220m 双绞线后接收端的时域波形,其中视窗内横坐标时间总长为1Λs ,纵坐标电压总幅值为40V 。
当时钟频率为5M H z 以下时,几种485器件的接收波形区别不大;当频率增至10M H z 时,M A X 3468和SN 65HVD 1176存在较大失真,接收信号的占空比变化很大;ISL 4486的过冲和高频相移比SN 65HVD 23D 更明显。
因此,综合传输速率、接收信号波形及均衡功能等,选用SN 65HVD 23D 作为R S 2485接口器件。
2.2 位同步时钟恢复位同步时钟恢复是高速串行数据接收的重要组成部分。
受电缆信道的低通特性影响,串行数据经传输介质到达接收器时,幅度大幅衰减,并叠加有外界噪声和干扰。
为从抖动的串行位流数据中恢复出接收位同步时钟,必须选择最佳时刻对数据采样和判决。
为此,在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号,以波特率的10倍频时钟作为检测时钟,对输入串行数据码流进行高频采样,利用串行信号的上升 下降沿作为位同步采样起点,以控制接收器的时钟同步,工作流程如图3所示。
96李 成,等: R S 2485总线的高速串行远距离数据传输方法图2 不同RS-485器件的接收波形高速串行传输时数据波形的畸变较为严重,电平转换时间在数据周期中占更大比重,造成采样得到的数据位出现误码。