《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高速1553總線分立器件收發(fā)器設(shè)計(jì)
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第20期
蔡潔明,,魏敬和
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,,江蘇 無(wú)錫 214035
摘要: 提出了一種適用于高速1553總線的分立器件收發(fā)器電路設(shè)計(jì)方法,解決了傳統(tǒng)1 MHz 1553收發(fā)器無(wú)法與10 MHz協(xié)議處理器接口的問題。與其他方案相比,,由于采用的是分立器件搭建,不改變?cè)械目偩€結(jié)構(gòu),,不用改換線纜及接口方式,,節(jié)省了大量成本與時(shí)間,實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活方便,,同時(shí)具有很好的通用性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性,。
Abstract:
Key words :

  蔡潔明,,魏敬和

  (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,,江蘇 無(wú)錫 214035)

       摘要:提出了一種適用于高速1553總線分立器件收發(fā)器電路設(shè)計(jì)方法,,解決了傳統(tǒng)1 MHz 1553收發(fā)器無(wú)法與10 MHz協(xié)議處理器接口的問題。與其他方案相比,,由于采用的是分立器件搭建,,不改變?cè)械目偩€結(jié)構(gòu),不用改換線纜及接口方式,,節(jié)省了大量成本與時(shí)間,,實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活方便,同時(shí)具有很好的通用性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性,。

  關(guān)鍵詞:分立器件,;高速1553總線;LDMOS,;濾波器,;比較器

  中圖分類號(hào):TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.009

  引用格式:蔡潔明,魏敬和. 高速1553總線分立器件收發(fā)器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,,2016,35(20):34 36.

0引言

  MIL-STD-1553數(shù)據(jù)總線因其高可靠性特諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空,、航天等多個(gè)領(lǐng)域。在過去的半個(gè)多世紀(jì),,它實(shí)現(xiàn)了傳感器,、武器等各種電子裝備的信息共享與傳輸。但隨著更快處理器的誕生以及封裝的小型化和軟件技術(shù)的革新,,1553B僅僅1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速度無(wú)疑成為了信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,,一種更快速度的傳輸方式應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。1553總線歷經(jīng)了1553A,、1553B再到1553C的三個(gè)重要的發(fā)展階段,,傳輸速度也從最先的1 Mb/s變成了10 Mb/s甚至更高。目前國(guó)外已經(jīng)有了較為成熟的1553C產(chǎn)品,,但我國(guó)在高速1553總線方面的研究尚處于起步階段,。由于國(guó)外在高速1553總線上采取技術(shù)封鎖,因此國(guó)內(nèi)只能在研究1553B總線的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的1553C產(chǎn)品,。

  除了支持高速數(shù)據(jù)處理的1553C協(xié)議處理器外,,相應(yīng)的高速收發(fā)器電路由于與外部總線相連,其穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要,,因而成為整個(gè)1553C總線電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3],。目前高速1553收發(fā)器的研制開發(fā)單位主要集中在部分科研院所和大學(xué),但由于國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)針對(duì)高速1553收發(fā)器的標(biāo)準(zhǔn),,盡管有高速1553收發(fā)器電路問世,,但各家產(chǎn)品的性能指標(biāo)不盡相同,。從實(shí)現(xiàn)形式上大致可以把目前開發(fā)出的1553高速收發(fā)器分為兩類:一類是基于原低速1553收發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整,使其工作于10 MHz甚至更高速率,;另一類是采用市場(chǎng)上其他通用型收發(fā)器替代1553收發(fā)器,,如485總線收發(fā)器等,其速率也可以達(dá)到10 MHz[4],。但兩種方案均存在一定的缺陷:采用更改設(shè)計(jì)參數(shù)的方式由于受到原電路設(shè)計(jì)的局限,,調(diào)整幅度不能太大,,電路通常需要進(jìn)行全套改版,,需要投入的成本很高。采用其他通用型收發(fā)器的方案盡管芯片本身不用重新設(shè)計(jì),,但原來(lái)的傳輸介質(zhì)都需要更換,,整個(gè)系統(tǒng)需要重新布局,投入的成本也不容小覷,。

  本文設(shè)計(jì)的1553總線收發(fā)器克服了上述兩種方案的缺陷,,采用市場(chǎng)上常用的分立器件進(jìn)行搭建,價(jià)格較低且容易采購(gòu),,可以利用原系統(tǒng)進(jìn)行通信,,無(wú)需作任何調(diào)整,兼顧了電路設(shè)計(jì)與后期重新布局的成本,。此外,,該設(shè)計(jì)還具有很好的可擴(kuò)展性,當(dāng)收發(fā)器參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí),,只需簡(jiǎn)單更換型號(hào)不同的分立器件即可,,既方便了調(diào)試,又降低了成本,。

1電路組成及原理

  本文設(shè)計(jì)的分立器件收發(fā)器的典型工作速率為10 MHz,,由發(fā)送器與接收器兩部分組成。

  發(fā)送器與協(xié)議處理器銜接,,完成10 MHz曼徹斯特碼的發(fā)送,,它由電壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器電路、高速功率晶體管LDMOS(NMOS)及一定阻值和容值的電阻電容構(gòu)成,。

  電壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器電路采用TI公司的SN74LVC2T45,,它是一款雙向帶三態(tài)輸出的電壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器[5]。由于協(xié)議處理器送給發(fā)送器的為3.3 V信號(hào),,為了保證數(shù)據(jù)高速傳輸時(shí)LDMOS的漏端有足夠大的電流,,需要將柵極的電壓抬高。SN74LVC2T45可以將10 MHz,、3.3 V的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 MHz,、5 V的信號(hào),。同時(shí),其中一個(gè)電源端口VCCA可以用作發(fā)送器的使能端,,用于控制發(fā)送器是否進(jìn)入工作狀態(tài),。

  LDMOS采用NXP公司的高速功率晶體管BLF6G21-10G,其開關(guān)速度可達(dá)2 200 MHz,,開啟電壓1.9 V,,且在柵源電壓達(dá)到5.65 V時(shí),漏極電流可達(dá)3.1 A,,輸入輸出電容在幾pF到十幾pF之間[6],,可以滿足發(fā)送器設(shè)計(jì)要求。

  隔離變壓器采用國(guó)內(nèi)某研究所定制的10 MHz變壓器,。該變壓器專為高速1553收發(fā)器設(shè)計(jì),,經(jīng)過長(zhǎng)期的壽命及可靠性試驗(yàn),各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足高速1553總線傳輸要求,。要注意的是,,由于輸出端采用的是NMOS,變壓器輸入端的中間抽頭(2腳)必須接+5 V的電源,。

  發(fā)送器的原理框圖如圖1所示,。

圖像 001.png

  如圖1所示的分立器件發(fā)送器,協(xié)議處理器產(chǎn)生一對(duì)差分信號(hào)Txa,、Txa_n送至SN74LVC2T45的A1,、A2端口,SN74LVC2T45的電源端VCCA通過跳線選擇3.3 V電源或GND,,以控制發(fā)送器的開啟與關(guān)斷,,電源端VCCB接5.0 V電源,這是由于協(xié)議處理器采用3.3 V標(biāo)準(zhǔn)的端口電壓,,為了保證LDMOS有足夠大的電流以驅(qū)動(dòng)下一級(jí),,將協(xié)議處理器輸出的信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換至5 V電壓。方向控制端DIR接高電平,,使數(shù)據(jù)信號(hào)由A端送至B端,。接地端GND與電路板的地端相連。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過10 Ω電阻以減少信號(hào)反射,。接著兩路差分信號(hào)被分別送至兩個(gè)LDMOS管的柵極(Pin2),,源極(Pin3)跟襯底連在一起接到地,漏極(Pin1)作為輸出并串接2 Ω電阻至變壓器的初級(jí)端(Pin1,、Pin3),,LDMOS的柵極與漏極跨接100 pF的反饋電容用于調(diào)整信號(hào)的階梯現(xiàn)象。信號(hào)經(jīng)過隔離變壓器至次級(jí),,負(fù)載接于隔離變壓器的引腳5與引腳7之間,。發(fā)送器的工作原理如下,。

  當(dāng)Txa對(duì)應(yīng)的曼碼為高電平時(shí),Txa_n對(duì)應(yīng)的曼碼應(yīng)為低電平,,這時(shí),,圖1中的第一功率MOS管導(dǎo)通,于是變壓器1號(hào)抽頭被拉至地,,電流從中間抽頭(Pin2)往1號(hào)抽頭流,,在變壓器輸入端的3號(hào)抽頭與中間抽頭之間耦合產(chǎn)生方向相反的電流,這樣1,、3號(hào)抽頭之間就形成了正負(fù)電平的曼碼,;同理,當(dāng)Txa_n對(duì)應(yīng)于曼碼為高電平時(shí),,Txa對(duì)應(yīng)的曼碼應(yīng)為低電平,,這時(shí),,第二功率MOS管導(dǎo)通,,于是變壓器3號(hào)抽頭被拉至地,電流從中間抽頭往3號(hào)抽頭流,。在變壓器輸入端的1號(hào)抽頭與中間抽頭之間耦合產(chǎn)生相反的電流,,這樣1、3號(hào)抽頭之間同樣形成了正負(fù)電平的曼碼,。

  接收器部分從1553總線上接收10 MHz的曼徹斯特碼,,通過濾波、比較,、電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生與協(xié)議處理器匹配的TTL電平信號(hào),。接收器原理框圖如圖2所示。

圖像 002.png

  濾波器采用TI公司的高速運(yùn)算放大器THS4521搭建的一階有源濾波器,。THS4521帶寬可以達(dá)到145 MHz,,轉(zhuǎn)換速率達(dá)到490 V/μs[7],可以滿足要求,。一階有源濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

圖像 003.png

  發(fā)送器輸出的差分信號(hào)經(jīng)1/2分壓后連接至其差分輸入端(Pin1、Pin8),,以降低共模電壓信號(hào)使運(yùn)放能夠正常響應(yīng),。電源Vs+(Pin3)接+5 V,Vs-(Pin6)接地,,共模電壓輸入端VOCM(Pin2)接0.1 μF電容到地,,以降低管腳上的耦合噪聲。

  對(duì)于一階有源濾波器,,其截止頻率為:

  QQ圖片20161223152426.png

  通過選取合適的R,、C值可以使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過,。為了避免高頻噪聲信號(hào)對(duì)正常曼碼的影響,在這里選?。?img src="http://files.chinaaet.com/images/2016/12/23/6361810344504400006385032.png" title="QQ圖片20161223152436.png" alt="QQ圖片20161223152436.png"/>代入式(1)有:

  QQ圖片20161223152429.png

  計(jì)算得到截止頻率為fC=53 MHz,,可以滿足五次諧波分量通過,更高頻率的諧波(大多是噪聲)被濾走,。

  為了能夠使比較器有較高的靈敏度,,需要將濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大,這里選擇放大倍數(shù)為6,。因此,,在運(yùn)算放大器的正輸出VOUT+(Pin4)與負(fù)輸入端VIN-(Pin1)跨接反饋電阻RF。

  運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)由下式?jīng)Q定:

  QQ圖片20161223152432.png

  有源濾波器的輸出被接至比較器,,比較器采用ADI公司的超快速比較器AD8611,,該器件輸入端的頻率可以達(dá)到100 MHz,且在5 V工作電壓下有4 ns的延時(shí)[8],。比較器中的電壓基準(zhǔn)采用NS的LM4120-1.8,,它能提供穩(wěn)定的1.8 V輸出電壓基準(zhǔn)[9]。比較器的門限定為1.8 V,,因此當(dāng)濾波器輸出波形的電平高于1.8 V時(shí),,輸出電平為高(+5 V),輸出電平低于1.8 V時(shí),,輸出電平為低(0 V),。這樣,經(jīng)過總線傳輸之后的曼徹斯特碼就被濾波整形,,防止噪聲信號(hào)使協(xié)議處理器產(chǎn)生誤操作,。

  最后,輸出的5 V信號(hào)要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路,,將其轉(zhuǎn)換為協(xié)議處理器可以接收的3.3 V電平信號(hào),。輸入端A1、A2分別接RXOUT-,、RXOUT+,與發(fā)送器中的電壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器接法不同的是,,接收器不需要使能控制,故VCCA接固定的3.3 V電平,,DIR接地,,以使數(shù)據(jù)信號(hào)由B端送至A端。輸出的信號(hào)B1,、B2被分別送至協(xié)議處理器的Rxa_n,、Rxa端口。

2電路驗(yàn)證及測(cè)試結(jié)果

  在變壓器的差分輸出端串接55 Ω電阻,再跨接35 Ω負(fù)載,,如圖4所示,。根據(jù)規(guī)范要求,在直接耦合的情況下,,負(fù)載兩端電壓Vpp值Uout應(yīng)在7~9 V之間[10],。

圖像 004.png

  發(fā)送器的輸出波形如圖5所示。

圖像 005.png

  經(jīng)過比較器之后的波形如圖6所示,。

圖像 006.png

3結(jié)束語(yǔ)

  本文提出了一種針對(duì)10 MHz 1553總線協(xié)議處理器的接收發(fā)送電路,,解決了1 MHz 1553收發(fā)器無(wú)法與10 MHz協(xié)議處理器接口的問題。由于采用的是分立器件搭建,,省去了昂貴的流片費(fèi)用,,實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活方便,即便是以后需要更高速度的收發(fā)器,,也只需要調(diào)整濾波器的濾波電阻電容就可以滿足要求,,具有很好的通用性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。它不改變?cè)械目偩€結(jié)構(gòu),,不用改換線纜及接口方式,,節(jié)省了大量成本與時(shí)間。隨著更快處理器的誕生,、封裝的小型化以及軟件技術(shù)的革新,,信息的高速傳輸與實(shí)時(shí)共享已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì),,采用分立器件的高速1553收發(fā)器電路無(wú)疑將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的收發(fā)器以適應(yīng)快速發(fā)展的總線傳輸需求,。

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