三、總線驅(qū)動能力問題及其解決方案

與一般單片機總線擴展技術中考慮的總線驅(qū)動能力問題不同，在用長線電纜實現(xiàn)總線接口連接時也會產(chǎn)生總線驅(qū)動能力問題。前者主要考慮的是總線的交、直流負載能力，從而確定總線上允許掛接的負載個數(shù)；后者產(chǎn)生的根本原因是長線電纜本身表現(xiàn)為高容性負載（分布電感的影響很小，一般不予考慮），在有限電流的驅(qū)動下，信號在電纜一端傳送到另一端時，就會產(chǎn)生明顯的信號衰減和畸變現(xiàn)象，如圖2所示。所以用長線電纜實現(xiàn)總線驅(qū)動時主要考慮的是長線本身作為負載對總線驅(qū)動能力的要求。

工程實踐中發(fā)現(xiàn)，晶體管－晶體管邏輯（TTL）電平的單端信號幾乎很難在一個輸入/輸出（I/O）周期內(nèi)驅(qū)動1 m以上（甚至更短）的電纜；而且我們還發(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象，盡管互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯電平的抗干擾噪聲容限明顯高于TTL電平，但相同電源電壓（5 V）下的高速CMOS（HCMOS）接口器件（主要指緩沖器端）的長線驅(qū)動能力卻明顯地低于TTL接口器件。定性地理解這一現(xiàn)象可解釋為，噪聲容限大的器件往往產(chǎn)生的噪聲也大，CMOS器件屬于容性負載，每個引腳有大約10 pF的輸入電容，輸入阻抗極高，對長線電纜的阻抗不匹配導致的反射現(xiàn)象尤為嚴重，故抗干擾能力比TTL器件差許多。器件抗干擾能力通常與輸入阻抗有關，輸入阻抗越低，抗干擾能力越強。

在通常的總線接口驅(qū)動器/緩沖器方案中，例如使用74245芯片作驅(qū)動器/緩沖器，要提高長線電纜連接時的總線驅(qū)動能力，解決辦法主要有2種，一是適當降低傳輸速率，二是在總線兩端加上拉電阻。前者是為了避開容性負載對脈沖前沿的平滑作用和反射波的干擾，這是一個暫態(tài)過程；后者是為了提高信號高電平，也起到降低輸入阻抗、減小反射波干擾的作用。筆者曾經(jīng)想利用這種方案在一個I/O周期內(nèi)實現(xiàn)2 m長電纜的雙向并口通信，但失敗了。正如前面強調(diào)指出的那樣，失敗原因當然并不僅僅是總線驅(qū)動能力問題。成功的實踐是使用OC門作驅(qū)動器。OC門具有很強的總線驅(qū)動能力，它允許輸出端直接相連實現(xiàn)“線與”功能。設計難點在于如何把單向驅(qū)動改造為雙向驅(qū)動，圖3給出了具體電路方案。

其工作原理為：數(shù)據(jù)寫出時由地址譯碼電路的片選信號選通74373鎖存器，再由OC門7405驅(qū)動至遠端緩沖器74244；數(shù)據(jù)讀入時先向74373輸出邏輯“0”，使已方OC門置于邏輯高狀態(tài)，正確實現(xiàn)“線與”功能，再由地址譯碼選通74244讀數(shù)。

圖3的方案具有相當?shù)脑O計啟發(fā)性，稍加改造就可以適應許多要求高速、大容量雙向通信的場合。比如在74LS244側增加或干脆換成先進先出（FIFO）器件，就可以支持高速、大容量的成塊數(shù)據(jù)交換。

四、電磁干擾及其解決方案

使用單端信號進行長線電纜傳輸時，有2種電磁干擾是不能忽視的：線間竄擾和地線噪聲。線間竄擾是當2條或多條較長的的導線相平行而又靠得很近時，其中一條導線上的信號將對其它導線產(chǎn)生干擾。線間竄擾是一種近場（即距離干擾源小于的場，其中λ為電磁波長）耦合干擾，受擾線上的影響來源于傳輸線間的分布電容和分布電感引起的電磁耦合。線間竄擾大多發(fā)生在多芯電纜、束捆導線或印制板上的平行導線之間，竄擾強度與相鄰兩信號線間互阻抗和信號線本身的特性阻抗有關，并與線間距成反比，與線平行長度成正比。對線間竄擾的抑制，一般采用一些常規(guī)而有效的方法。當用扁平電纜作連接電纜時，在相鄰信號線之間插入地線，可把導線間的耦合電容轉化為對地電容；如果竄擾比較嚴重，還可以使用帶雙絞線結構的扁平電纜，這種電纜對抑制靜電干擾和空間電磁干擾也有效果；也可以考慮采用多股雙絞線結構的屏蔽電纜。

地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當2個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。增加地線的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限；減小交流阻抗，一個有效的辦法是多根地線并聯(lián)。當2根導線并聯(lián)時，其總電感：
ИL=(L1+M)/2 (7)И
式中L1是單根導線的電感；
M是兩根導線之間的互感。
正是因為地線的交流阻抗特性，使得地線成了電路中事實上的最大噪聲源。單端信號的傳輸長度最終受限于地線長度。抑制地線噪聲的最理想的辦法是對電纜兩側的電路進行電氣隔離。參考文獻［２］給出了一種利用高速光耦6N137對MCS－51系列單片機的系統(tǒng)總線進行雙向高速隔離的很新穎的方案。但筆者認為這種隔離方案對以雙向并行通信為目的應用來說，已基本失去實用價值。因為光耦是單向傳輸器件，最終隔離的結果將是全雙工信道，而并行全雙工信道的長線傳輸方案因技術、器件、線路成本上升很多而在工程上很少應用。所以，對TTL電平的單端信號的雙向傳輸來說，必須嚴格限制電纜長度，一般不能超過5 m。

五、 結束語

雙機并行通信技術普遍應用于短距、高速、大容量通信場合，但其高速性能受通信距離的影響很大，以更多的技術來實現(xiàn)并行通信長線傳輸?shù)目煽啃院透咝栽诮?jīng)濟上是得不償失的。本文針對單片機系統(tǒng)之間的雙向并行總線的長線傳輸問題進行了一些分析和討論，并給出了幾種廉價的解決方案。一般說來，對2 m長的并行通信電纜，數(shù)據(jù)傳輸率是完全可以達到500 kbit/s～1 Mbit/s。遵循器件解決的原則，也可以考慮采用并行接口標準器件，如IEEE－1284并行接口標準，這些標準接口器件已集成了端接元件并對連接器、電纜有嚴格的電氣要求。但即使這樣，在2 m長的電纜上也很難達到2 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

參考文獻
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［２］劉大健，陳降道.單片機系統(tǒng)總線級的光電隔離［Ｊ］.微型機與應用，
1998，（6）.
［３］張松春，竺子芳，趙秀芬，蔣春寶.電子控制設備抗干擾技術及其應用（第2版）［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.
［４］王幸之，王雷，翟成等.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術［Ｍ］.北京：北京航空航天大學出版社，1999