柏兆飞

（南京苏河电子科技有限责任公司,南京 210000）

0 引言

基于微处理器应用系统中，常常会遇到远程开关量的输入问题。开关量进行长距离传输时，一方面容易受到外界的电磁干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另一方面开关量通过长电缆单端接入微处理器，由于电缆的线路阻抗与电压降，限制了该电缆的距离。本文采用RS485总线作为开关量信号输入信道，一方面RS485总线的差分通讯方式可以抑制外界干扰信号，提高传输质量；另一方面，由于开关量信号采用低频信号传输，可以在相同条件下大大提高其传输距离。通过在输入设备端增加光电隔离设备及软件上采取相应的防抖动等措施，完全可以保证通讯正确率。实验证明，采用该种措施可以确保开关量信号在3000m长度的带屏蔽双绞线(0.56mm/24AWG)上无误码传输。

采用RS485总线作为传输信道，在通常的应用方式中，信号输出设备端与输入设备端均需有微处理器，而当信号输出设备端的开关量很少时(例如只有一路开关信号)，用微处理器控制RS485通讯，一方面会增加设备成本；另一方面因为微处理器使电路复杂数倍，又需要在微处理器中写入软件，所以也会大大增加维护成本。而本文采用RS485收发自动转换电路，可以省去输出设备端的微处理器。且由于RS485具有双向通讯功能，可以将输入设备接收到的状态反馈至输出设备端。这是本设计的另一大特色。

1 系统硬件设计

本设计的系统硬件原理图如图1所示。

1.1 输出设备电路原理

C1、R1和R0构成去抖动电路，其实质是RC充放电电路。在开关K闭合过程中，电容C1通过R0有一个放电过程；在开关K断开过程中，电容C1通过R1和R0有一个充电过程。充放电过程可以消除开关K在闭合与断开过程的抖动。

A7、A8为NE555芯片，两个芯片均构成单稳态电路。当开关K由断开变成闭合时，A点电平由高变低产生下降沿信号，经C2、R2构成的微分电路将下降沿信号变成宽约1的窄脉冲去触发A8的T脚使其进入暂稳态，在F脚上输出时长t=1.1R6C6的高电平；当开关K由闭合变成断开时，A点电平由低变高，经非门A5反向后产生由高到低的下降沿信号，经C4、R4构成的微分电路将下降沿信号变成宽约1的窄脉冲去触发A7的T脚使其进入暂稳态，在F脚上输出时长t=1.1R5C5的高电平。综上所述，当开关K发生变位时，A7、A8其中之一会输出一段高电平脉冲，经或门A1后，将该高电平脉冲加在RS485的控制端，使其处于发送状态。微分电路的作用是确保下跳沿能触发NE555单稳态电路，而避免上跳沿造成误触发。

CD4060构成方波发生器，其基准频率为32.768KHz，Q5经32分频后输出1KHz频率，Q6经64分频后输出512Hz频率。当开关K处于断开状态时，与门A2允许输出；当开关K处于闭合状态时，或门A3允许输出。因此在任何情况下，或门A4只可能有一种频率输出，输出的频率接至RS485芯片的发送端。

当开关K没有变位时，两个单稳态电路均处于稳定状态，输出低电平，经或门A1后输出低电平加在RS485芯片的控制端，RS485芯片处于接收状态。若开关K有变位时，根据上面的分析，两个单稳态电路之一会进入暂稳态输出高电平，经A1输出高电平加在RS485芯片的控制端，使RS485芯片暂时处于发送状态，并将发送端DI的频率送至总线：当开关K闭合时，发送的频率为512Hz；当开关K断开时，发送频率为1KHz。当单稳态的暂态结束后，RS485芯片的控制端重新变成低电平，返回至接收状态，等待接收来自输入端的信息。

C3、R3构成去毛刺电路并接在RS485芯片接收端，当RS485总线上受到电磁干扰使接收端出现小毛刺时可以被滤除。在接收端接有发光二极管，用以指示开关K是否发生了变位，当接收端收到低电平信号时，发光二极管D1亮。

1.2 输入设备电路原理

输入设备中，RS485芯片的接收端经光电藕合电路与微处理器相联，光电藕合电路起隔离作用，可隔离总线上的电磁干扰，能消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动，防止瞬态尖峰在系统内部的破坏性传播。RS485芯片的控制端与发送端也与微处理器相联。正常情况下，RS485芯片处于接收状态，当微处理器从RS485芯片接收端接收到512Hz频率时，说明输出端的开关K处于闭合状态；当接收到1KHz频率时，说明输出端开关K处于断开状态。当微处理器接收到频率时，说明输出端开关K发生了变位，微处理器控制RS485芯片发送一个长的低电平(例如300ms)信号，输出设备中的RS485芯片接收到该低电平时，接收端变低，使发光二极管D1闪烁一次，表明输入设备端已接收到输出设备端的开关K的变位信号，这种反馈方式可以使输出设备端了解输入设备是否收到开关K的变位信息。

2 传输介质的选用

一种新的本质安全认证技术(简称本安)—参量认证(Parameter Approvals)中要求之一是如下两式成立：

式中，Ci、Li为本安现场设备的电容、电感；Cc、Lc为本安现场设备与相关联设备之间连接电缆的分布电容、电感；Ca、La为关联设备允许的最大电容、电感。

式（1）Cc、Lc（2）说明，本安设备和连接电缆中电容、电感必须小于所连微处理器等系统的最大允许输入电容、电感， 这就限制了连接信号电缆的长度。因此应该选择满足如下条件的信号电缆：（1）电缆的、越小越好；（2）线路阻抗越小越好；（3）信号线最好选用带外层屏蔽的单股双胶线；（4）无多余空信号线，防止增加电感量。

RS485总线是一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议，是工业上广泛采用的较长距离数据通信链路层协议。在信号传输过程中，对信号产生干扰的不仅仅是电场，诸如磁场、振动、温度、雷电等均可对信号造成干扰。在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质量和传输距离有很大关系，信号频率越高，信号传输线质量越差；传输距离越长则受到干扰的程度就越大。

采用差分方式传送信号是双端平衡传输的一种方式。双端平衡传输的信号因为幅度相等、相位相反；而传输介质一般为双绞电缆，这两根线走向、材质一致，因此对地阻抗一致。在双端平衡传输通道中，所接收的外部电磁干扰在导线内产生的干扰是一致的，对信号接收端来说这是一种共模干扰，这种共模干扰在双端平衡传输模式中能得到消除或极大的抑制，在很大程度上提高信号传输的质量。

本设计中在传输介质中传送的信号频率较低；输入设备对信号质量的要求也较低，即使在传输过程中出现个别误码也不会造成判断失误，所以抗干扰能力很强。工程实践证明，采用该设计方案传输距离3000m长度的开关量信号长期运行没有误动作。

3 结语

通过将开关量信号转换为频率信号，并采用双端平衡传输方式，解决了开关量长距离的传输的问题。该设计简单可靠，不需要微处理器参于，便实现了数据的双向传输，在地理空间位置上，极大地拓展了应用范围。该设计已在多个工程项目中得到使用，并取得了良好的效果，该设计的发明专利也正在申报中。但本设计仅对一路开关量信号进行了传输，如果采用编码的方式，将多个开关量信号进行编码传输，则可解决多个开关量信号的长距离传输问题。这种多开关量信号传输设计方案还有待进一步实验并在实践中进行验证。

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