单片机双向并行接口总线的长线传输技术

一、 引言

单片机并口通信技术具有高速、数据量大、通信协议简单或无需通信协议等固有优点。当采用双向双工并行传输方式时，单片机系统要进行数据交换则要求两套发送、接收设备和线路，将导致器件、线路成本显著上升，这在工程实践中极少应用；而采用双向并口总线进行半双工数据交换时，由于双向总线信号为单端信号，抗干扰能力较差，对单片机系统之间的互连距离有严格的限制，通常只应用于机箱内的互连。寻找侧重于廉价连接方案、能满足机箱外一定互连距离要求的单片机双向并行接口总线的长线传输技术是每一个电路设计工程师都十分关心的课题。因为单向的控制总线信号较容易通过差动长线驱动器/接收器或集电极开路（OC）门驱动等方案实现长线传输，所以本文主要关注于双向的并行地址/数据总线的长线传输问题。

影响单片机双向总线长线传输可靠性的因素主要有传输线效应、总线驱动能力和电磁干扰（EMI），它们均可简单归结为信号完整性问题。需要强调指出的是，虽然针对上述每一个因素的改善措施总会起到一定效果，但并不是，也从来不是上述哪一个因素单独突出而起到主导作用。因此，所有的电磁兼容性（EMC）设计方法都值得认真考虑并加以积极利用。

二、传输线效应及其解决方案

按照电路分析的原理，当导线长度接近传输的波长时，不能再视为一条普通的导线，而应视为长线，需用传输线的理论去分析。在接口技术中，当总线长度和波长可比拟时，也须把它视作长线，考虑作为传输线带来的影响，即所谓传输线效应。经验证明：时钟频率为1～10 MHz时，在单板内的总线传输效应可不计，但板与板、箱与箱之间的传输线效应必须考虑；当时钟频率为50～100 MHz时，单板内的总线设计也需考虑传输线效应。

传输线定义为所有导体及其接地回路的总和。当传输线长度超过最大匹配线长度Lmax时，称为长线。最大匹配线长度Lmax可由式(1)计算：

式中tr为传输信号的前沿时间，单位为ns；
v为电磁波速度，υ＝（１．４～2）×１０８　ｍ／ｓ；
k为经验常数，一般取k=4～5。

例如，取k=4，v=2×10８m/s，求得如表1所示的几组数值：

还应指出，当负载变重，传输时间延长时，最大匹配线的长度需相应缩短。传输线效应对信号完整性的影响主要表现为：线路阻抗与外接负载不匹配导致的信号反射现象，电路的阻抗会使信号达不到规定的电压幅度。关于传输线理论的详细知识有许多论文、著作可供读者参考，这里只介绍几个与工程实际密切相关的传输线参数。

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：

式中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2所示。

2. 延迟时间

由传输线效应引起的信号延迟时间：

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。

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：

反射系数直接影响到信号传输的失真度。

从技术上讲，克服传输线效应主要解决2个问题：一是阻抗匹配，二是长线驱动。能实现终端阻抗匹配的电路方案比较多，各有其优缺点，这里介绍2种在双向接口总线的长线传输（1～5 m）中证明有效的电路方案， 如图1所示。图1（a）中采用的是戴维宁式（Thevenin）并行端接方案，即分压器型端接。戴维宁等效阻抗可表示：

通常其电阻的取值应满足下列条件：

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1（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）将输入信号钳位到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，通过二极管钳位减小过冲与下冲，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。