基于电流环电路的远距离数据传输

摘 要： 电平转换在工业控制远距离数据传输过程中被广泛采用，取得了良好的效果。阐述了另一种数据传输的电路——电流环,该电路将电平信号转换为电流信号，以电流作为数据传输的载体，在恶劣工业环境下具有较强的抗噪、抗干扰的能力。
关键词：电流环;数据传输;工业控制

工业控制应用中常常涉及到一个非常重要的环节——数据或者控制信号的长距离准确传输。当今主流数字集成电路芯片往往采用CMOS或者TTL电平作为数据交互的载体，即使对于一般的工业环境而言，仅仅依靠这两种电平信号来传输数据都是难以实现整个系统的。RS-232和RS-422/485的引入使真正的工业控制(特别是恶劣的环境的控制)变为可能。在恶劣的工业环境中，按照电平噪声设计容限,RS-232的有效传输距离为10 m左右，RS-422/485也能够在100 m内取得良好的数据传输效果。这种电平信号的传输距离受物理通道的影响较大，容易受到信道容抗衰减，使传输距离受限。若将电平信号转换为电流信号，以电流作为载体进行数据传输，一方面可以增大信号的噪声容限，另一方面也可以提高信号的抗衰减能力。
1 电流环电路原理
按照欧姆定律U=IR可知,电平信号与对应的电流信号由回路中的阻抗（容抗/感抗）来决定。控制器输出的信号功率限制了信号的传输距离，因而可以通过一个晶体放大器来提升信号的驱动能力，如图1所示。当Q1基极输入为0时，Q1截止，集电极没有电流流过；当Q1的输入为1时，电流由VCC流经R3、传输电缆R2、Q1、R1,最后回到接收端，形成电流回路。在接收端由电压比较器U1获取电阻R3上的压降，从而形成输出电平信号。由欧姆定律得知:当R3上没有电流流过时，R3两端压降为0，比较器U1的输出也降为0；当R3上有电流流过时，R3上的压降为U1形成输入，从而U1也将输出高电平[1]。
由图1可知,数据转移中的电流I=IQ(IQ为晶体管的集电极电流),同时受到Q1、线路阻抗R2和R3以及电源VCC的影响。一旦选定足使Q1进入饱和状态的VCC(主要由线路的直流阻抗决定),则IQ的大小由Q1的基极输入决定；同时忽略U1的输入阻抗，则U1的输入电压Ud=IQR3。只要恰当地选定R3，数据的传输将不受外界噪声的影响。为防止误操作，可以设定U1输入的门限或者调整R3大小，来提高系统可靠性[2]。

在工业控制中，电气隔离是保证整个系统可靠运行的重要措施之一，而图1所示的原理没有任何隔离，不适合直接在实际的工业控制系统中应用。
为避免图1中系统执行部分对控制器的干扰，常用光电隔离的方法来抑制系统执行部分的电气噪声。图2给出了一种改进后的电流环电路（方框中表示电路中的数据传输的物理通道）[3]，包括两个方向的数据传输电路：发送数据时，TX端的数据控制U1中的发光二极管开关，从而控制U2上发光二极管电流的通断，最终使数据到达RX1端；同样的工作原理，接收数据时可由RX端读取经U4、R4、R5、C3、C1、U3等传送来的数据。由此，可实现发送端和接受端电气的完全隔离，且通过电流的方式实现了数据的远距离传输。同样，只要保证VCC一定的稳定性，高频噪声或者电网的波动无法形成传输回路的电流，可以降低传输物理通道中数据受到干扰的可能性。
从图2可知，数据的单向传输虽然可以取得良好的隔离和抗干扰的效果，但是需要两根导线来完成。如果距离较远，这种方式显得很不经济。

图3给出了一种经济型的电路。当在控制近端发送数据时,U2中光电管的输出由TXD输出来控制，电流流经控制器远端U1中的发光二极管；若此时远端U2作为使能端，则RXD能够接收到来自控制器近端的信息[4]。同理，RXD可以读取来自控制器远端由TXD发送过来的信息。与图2所示电路相比，该电路节约了物理通道，但只能实现半双工通信。
2 工程使用电路
图4和图5示意了工程上远距离串行通信的使用电路，在图3电路的基础上增加了逻辑门、晶体管等器件，增强了驱动能力，提高了系统的可靠性。其中，RXD为读取数据端、TXD为发送数据端、SEL_CH为通道的控制逻辑。在此基础上可以将多个通道进行并联，由主控制器通过SEL_CH通道选择逻辑，以查询的方式实现与多个终端的通信。

图6显示了处理器通过上述电路与5个终端实现串行数据交互的原理。该电路在实际工程上用于对多个终端设备进行数据采集和控制,在通信速率为19.2 kb/s，距离300 m时取得非常稳定的效果。