基于電流環(huán)電路的遠距離數(shù)據(jù)傳輸

摘 要： 電平轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制遠距離數(shù)據(jù)傳輸過程中被廣泛采用，取得了良好的效果。闡述了另一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐?mdash;—電流環(huán),該電路將電平信號轉(zhuǎn)換為電流信號，以電流作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在惡劣工業(yè)環(huán)境下具有較強的抗噪、抗干擾的能力。
關(guān)鍵詞：電流環(huán);數(shù)據(jù)傳輸;工業(yè)控制

工業(yè)控制應(yīng)用中常常涉及到一個非常重要的環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)或者控制信號的長距離準確傳輸。當今主流數(shù)字集成電路芯片往往采用CMOS或者TTL電平作為數(shù)據(jù)交互的載體，即使對于一般的工業(yè)環(huán)境而言，僅僅依靠這兩種電平信號來傳輸數(shù)據(jù)都是難以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的。RS-232和RS-422/485的引入使真正的工業(yè)控制(特別是惡劣的環(huán)境的控制)變?yōu)榭赡?。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，按照電平噪聲設(shè)計容限,RS-232的有效傳輸距離為10 m左右，RS-422/485也能夠在100 m內(nèi)取得良好的數(shù)據(jù)傳輸效果。這種電平信號的傳輸距離受物理通道的影響較大，容易受到信道容抗衰減，使傳輸距離受限。若將電平信號轉(zhuǎn)換為電流信號，以電流作為載體進行數(shù)據(jù)傳輸，一方面可以增大信號的噪聲容限，另一方面也可以提高信號的抗衰減能力。
1 電流環(huán)電路原理
按照歐姆定律U=IR可知,電平信號與對應(yīng)的電流信號由回路中的阻抗（容抗/感抗）來決定?？刂破鬏敵龅男盘柟β氏拗屏诵盘柕膫鬏斁嚯x，因而可以通過一個晶體放大器來提升信號的驅(qū)動能力，如圖1所示。當Q1基極輸入為0時，Q1截止，集電極沒有電流流過；當Q1的輸入為1時，電流由VCC流經(jīng)R3、傳輸電纜R2、Q1、R1,最后回到接收端，形成電流回路。在接收端由電壓比較器U1獲取電阻R3上的壓降，從而形成輸出電平信號。由歐姆定律得知:當R3上沒有電流流過時，R3兩端壓降為0，比較器U1的輸出也降為0；當R3上有電流流過時，R3上的壓降為U1形成輸入，從而U1也將輸出高電平[1]。
由圖1可知,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中的電流I=IQ(IQ為晶體管的集電極電流),同時受到Q1、線路阻抗R2和R3以及電源VCC的影響。一旦選定足使Q1進入飽和狀態(tài)的VCC(主要由線路的直流阻抗決定),則IQ的大小由Q1的基極輸入決定；同時忽略U1的輸入阻抗，則U1的輸入電壓Ud=IQR3。只要恰當?shù)剡x定R3，數(shù)據(jù)的傳輸將不受外界噪聲的影響。為防止誤操作，可以設(shè)定U1輸入的門限或者調(diào)整R3大小，來提高系統(tǒng)可靠性[2]。

在工業(yè)控制中，電氣隔離是保證整個系統(tǒng)可靠運行的重要措施之一，而圖1所示的原理沒有任何隔離，不適合直接在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。
為避免圖1中系統(tǒng)執(zhí)行部分對控制器的干擾，常用光電隔離的方法來抑制系統(tǒng)執(zhí)行部分的電氣噪聲。圖2給出了一種改進后的電流環(huán)電路（方框中表示電路中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ溃3]，包括兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸電路：發(fā)送數(shù)據(jù)時，TX端的數(shù)據(jù)控制U1中的發(fā)光二極管開關(guān)，從而控制U2上發(fā)光二極管電流的通斷，最終使數(shù)據(jù)到達RX1端；同樣的工作原理，接收數(shù)據(jù)時可由RX端讀取經(jīng)U4、R4、R5、C3、C1、U3等傳送來的數(shù)據(jù)。由此，可實現(xiàn)發(fā)送端和接受端電氣的完全隔離，且通過電流的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。同樣，只要保證VCC一定的穩(wěn)定性，高頻噪聲或者電網(wǎng)的波動無法形成傳輸回路的電流，可以降低傳輸物理通道中數(shù)據(jù)受到干擾的可能性。
從圖2可知，數(shù)據(jù)的單向傳輸雖然可以取得良好的隔離和抗干擾的效果，但是需要兩根導(dǎo)線來完成。如果距離較遠，這種方式顯得很不經(jīng)濟。

圖3給出了一種經(jīng)濟型的電路。當在控制近端發(fā)送數(shù)據(jù)時,U2中光電管的輸出由TXD輸出來控制，電流流經(jīng)控制器遠端U1中的發(fā)光二極管；若此時遠端U2作為使能端，則RXD能夠接收到來自控制器近端的信息[4]。同理，RXD可以讀取來自控制器遠端由TXD發(fā)送過來的信息。與圖2所示電路相比，該電路節(jié)約了物理通道，但只能實現(xiàn)半雙工通信。
2 工程使用電路
圖4和圖5示意了工程上遠距離串行通信的使用電路，在圖3電路的基礎(chǔ)上增加了邏輯門、晶體管等器件，增強了驅(qū)動能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。其中，RXD為讀取數(shù)據(jù)端、TXD為發(fā)送數(shù)據(jù)端、SEL_CH為通道的控制邏輯。在此基礎(chǔ)上可以將多個通道進行并聯(lián)，由主控制器通過SEL_CH通道選擇邏輯，以查詢的方式實現(xiàn)與多個終端的通信。

圖6顯示了處理器通過上述電路與5個終端實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)交互的原理。該電路在實際工程上用于對多個終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制,在通信速率為19.2 kb/s，距離300 m時取得非常穩(wěn)定的效果。