蔡潔明,，魏敬和
?。ㄖ袊娮涌萍技瘓F公司第五十八研究所，江蘇 無錫 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)計方法,，解決了傳統(tǒng)1 MHz 1553收發(fā)器無法與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,，不改變原有的總線結(jié)構(gòu)，不用改換線纜及接口方式,，節(jié)省了大量成本與時間,，實現(xiàn)起來靈活方便，同時具有很好的通用性和強大的可擴展性,。
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：TN710文獻標(biāo)識碼：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［J］.微型機與應(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)點被廣泛應(yīng)用于航空,、航天等多個領(lǐng)域。在過去的半個多世紀(jì),，它實現(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)運而生［1-2］。1553總線歷經(jīng)了1553A,、1553B再到1553C的三個重要的發(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。目前國外已經(jīng)有了較為成熟的1553C產(chǎn)品,，但我國在高速1553總線方面的研究尚處于起步階段,。由于國外在高速1553總線上采取技術(shù)封鎖，因此國內(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1553C總線電路設(shè)計的關(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),，但由于國內(nèi)尚未出臺針對高速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)器進行設(shè)計參數(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，其速率也可以達到10 MHz［4］,。但兩種方案均存在一定的缺陷：采用更改設(shè)計參數(shù)的方式由于受到原電路設(shè)計的局限,，調(diào)整幅度不能太大，電路通常需要進行全套改版,，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，但原來的傳輸介質(zhì)都需要更換,，整個系統(tǒng)需要重新布局,，投入的成本也不容小覷。
本文設(shè)計的1553總線收發(fā)器克服了上述兩種方案的缺陷,，采用市場上常用的分立器件進行搭建,，價格較低且容易采購，可以利用原系統(tǒng)進行通信,，無需作任何調(diào)整,，兼顧了電路設(shè)計與后期重新布局的成本。此外,，該設(shè)計還具有很好的可擴展性,，當(dāng)收發(fā)器參數(shù)需要進行調(diào)整時，只需簡單更換型號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)動器［5］,。由于協(xié)議處理器送給發(fā)送器的為3.3 V信號,，為了保證數(shù)據(jù)高速傳輸時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的電平信號轉(zhuǎn)換為10 MHz、5 V的信號,。同時,，其中一個電源端口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2 200 MHz，開啟電壓1.9 V,，且在柵源電壓達到5.65 V時,，漏極電流可達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)計要求。
隔離變壓器采用國內(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,，經(jīng)過長期的壽命及可靠性試驗，各項參數(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,。
如圖1所示的分立器件發(fā)送器，協(xié)議處理器產(chǎn)生一對差分信號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)動下一級,，將協(xié)議處理器輸出的信號經(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)換后的信號通過10 Ω電阻以減少信號反射。接著兩路差分信號被分別送至兩個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)整信號的階梯現(xiàn)象,。信號經(jīng)過隔離變壓器至次級，負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對應(yīng)的曼碼為高電平時，Txa_n對應(yīng)的曼碼應(yīng)為低電平,，這時,，圖1中的第一功率MOS管導(dǎo)通，于是變壓器1號抽頭被拉至地,，電流從中間抽頭（Pin2）往1號抽頭流,，在變壓器輸入端的3號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號抽頭之間就形成了正負電平的曼碼,；同理，當(dāng)Txa_n對應(yīng)于曼碼為高電平時,，Txa對應(yīng)的曼碼應(yīng)為低電平,，這時，第二功率MOS管導(dǎo)通,，于是變壓器3號抽頭被拉至地,，電流從中間抽頭往3號抽頭流。在變壓器輸入端的1號抽頭與中間抽頭之間耦合產(chǎn)生相反的電流,，這樣1,、3號抽頭之間同樣形成了正負電平的曼碼。
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,。接收器原理框圖如圖2所示,。
濾波器采用TI公司的高速運算放大器THS4521搭建的一階有源濾波器。THS4521帶寬可以達到145 MHz,，轉(zhuǎn)換速率達到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,。
發(fā)送器輸出的差分信號經(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使運放能夠正常響應(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,。
對于一階有源濾波器,，其截止頻率為：
通過選取合適的R、C值可以使一定頻率范圍內(nèi)的信號通過,。為了避免高頻噪聲信號對正常曼碼的影響,，在這里選取：
代入式（1）有：
計算得到截止頻率為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進行放大,，這里選擇放大倍數(shù)為6。因此,，在運算放大器的正輸出VOUT+（Pin4）與負輸入端VIN-（Pin1）跨接反饋電阻RF,。
運算放大器的放大倍數(shù)由下式?jīng)Q定：
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到100 MHz,，且在5 V工作電壓下有4 ns的延時［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,，輸出電平為高（+5 V），輸出電平低于1.8 V時,，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,，防止噪聲信號使協(xié)議處理器產(chǎn)生誤操作,。
最后，輸出的5 V信號要經(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,。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)信號由B端送至A端,。輸出的信號B1、B2被分別送至協(xié)議處理器的Rxa_n,、Rxa端口,。
2電路驗證及測試結(jié)果
在變壓器的差分輸出端串接55 Ω電阻，再跨接35 Ω負載,，如圖4所示,。根據(jù)規(guī)范要求，在直接耦合的情況下,，負載兩端電壓Vpp值Uout應(yīng)在7～9 V之間［10］,。
發(fā)送器的輸出波形如圖5所示。
經(jīng)過比較器之后的波形如圖6所示,。
3結(jié)束語
本文提出了一種針對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用,，實現(xiàn)起來靈活方便，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大的可擴展性。它不改變原有的總線結(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時共享已經(jīng)成為一種必然趨勢，采用分立器件的高速1553收發(fā)器電路無疑將代替?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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