采用电流环进行串行通讯的方式,经实验室多次验证,稳定可靠性与电平驱动方式相比有很大的提高,鉴于其还具有低成本的优点,所以非常适合用在楼宇对讲系统中住户分机的通讯中。
在单片机应用系统中,设备与设备之间如果采用点对点单线共地连接、电平驱动的方式来进行串行通讯,信号在传输过程中易受到干扰导致传输信号发生畸变或失真,并且因为设备间的地线电位差导致地环路电流,对电路形成差模干扰电压。电平驱动方式进行的串行数据传输抗干扰能力差、信号易衰减并且传输距离受到严格约束,即便是普通的RS-232串行接口,理想的最大通讯距离仅为15.25米。在要求串行接口具有远距离、高速率通讯能力及强抗干扰能力、强噪声抑制能力的工业现场中,设备之间点对点通讯时则可以考虑以电流环路为驱动方式的串行通讯(如图1),利用光电耦合器进行信号变换和光电隔离。电流环是一种非正式的串行通信标准。它以电流流过通信环路表示数据信号的传递(逻辑1),无电流为空号(逻辑0),在接收端由光电耦合器件将电流还原为处理器可以读的电平信号。由于电流环方式是通过环路中电流的有无来表示逻辑值"1"和"0",而不是用电平的高低表示逻辑值,加上在收发二端采用光电隔离技术,因此与电平方式相比,具有明显的优点:信号不易衰减、抗干扰能力强、传输速率高、传输距离最大可达几千米。
图1中光电耦合器将设备与设备之间的电气连接隔断,使它们相互独立,从而切断了可能形成的传导干扰,提高了电路系统的抗干扰性能。因为光电耦合器将数据传输线完全"浮置"起来,去掉了传输线两端的公共地线,有效消除了设备中各个电路的电流经公共地线所产生的噪声电压形成的相互串扰,同时有效解决了长线驱动和阻抗匹配的问题,并且当数据接收设备出现短路时,能够保护数据发送设备不受损害;电流环路的低阻传输通讯方式对串入通讯回路的干扰有很强的抑制能力。数据信息通过封闭的电流环路传递,使得以电流环路为驱动方式的串口通讯具有信号不易衰减、抗干扰能力强、适合远距离(大于1Km)、高速率(高达 19.2Kbps)传输等优点。
楼宇对讲系统是智能建筑的一部分,它集视频传输、音频传输、多媒体技术以及通讯技术为一身,来实现可视对讲、门禁考勤、安防报警、信息发部等功能,在楼宇对讲系统中,通讯是所有功能的载体,如果楼宇对讲系统的通讯出现了问题,整个系统就等于瘫痪了,所以,该系统对通讯的可靠性、稳定性、抗干扰能力要求相当高。一般来说,在楼宇对讲系统中,最常用的通讯方式有RS-232、RS-485,电平驱动等,RS-232串行通讯的缺点在前面已经叙述过了,RS- 485与RS-232串行通讯相比有诸多优点,但只适合用在楼宇对讲系统的通讯干线上,而不适合用在支线上(如住户分机的通讯),因为分机数量比较多,一般会成百上千,如果都用RS-485,整个系统的成本造价会大幅提高;用TTL电平驱动的通讯方式价格低廉,所以常被用在住户分机的通讯线路中,但采用这种方式的弊端是不言而喻的,在前面已经详细叙述过了;纵观以上这几种串行通讯方式,在分机的通讯线路中采用电流环通讯方式是最理想的选择,它即具有低成本的优点,又具有稳定可靠,抗干扰性能强的优点。系统组成如图2所示。
这里我们从工程实践的角度再对电流环传输作进一步的分析,如图1中所示,数据发送端口需要独立的信号线、地线,同时数据接收端口需要独立的信号线、地线,这样大大增加了工程布线工作量及线材消耗成本。因此我们在实际应用中对数据传输进行了设计改进,如图3,使设备的接收端和发送端共享信号线和地线,同时发送数据的设备能够接收到自身发送的数据以便监控发送的数据是否有误。
如图3所示,在本设计中选用光耦型号6N137,它的相关特性如下:
IF:二极管导通电流,范围2.5~20mA,推荐值为6.3~10mA
UF:二极管导通压降,最大为1.8V
Uce:光电三极管饱和导通压降,最大为0.6V
根据图3中的参数Vcc=5V,R11=R21=470Ω可知,数据发送端的IF为:
式(1)
由式(1)可知,电阻R11、R21的取值能够使数据发送端光电耦合器U1、U3工作在最佳状态。R13=R23=1KΩ、线路等效电阻为RL,则可知:
式(2)
式(3)
当设备1与设备2之间距离较短,线路等效电阻可以忽略不计时,由式(2)、式(3)可知:
式(4)
当传输距离较远、线路等效电阻为300Ω时,式(2)、式(3)可知:
式(5)
由式(4)、式(5)可知,在近距离或远距离传送数据时,电阻R12、R23的取值使接收端光电耦合器U2、U4能够同时工作在最佳状态。