0 引言

    在高速差分總線LVDS廣泛應(yīng)用的時(shí)代,，RS422以可靠性高以及成本低的特點(diǎn)依然廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，許多成熟定型的產(chǎn)品仍然需要采取RS422接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。例如在遙測(cè)系統(tǒng)中,，RS422的抗干擾能力優(yōu)于LVDS，所以在速率不高的情況下,，依然采用RS422作為通信接口,。在通常情況下,，RS422受限于UART通信協(xié)議和自身的電器特性，無(wú)法達(dá)到很高的速率,，理論上在距離很短的情況下,，最大的傳輸速率可以達(dá)到10 Mb/s，但在實(shí)際應(yīng)用中,，波特率最高只能達(dá)到1 Mb/s,，這就是為什么很多資料中允許的最大波特率只能達(dá)到115.2 Kb/s～916 Kb/s之間^[1]。一些技術(shù)(如DSLC,、HDLC等)可以將RS422的通信速率提高到8 Mb/s以上,，但是以犧牲通信距離為代價(jià)，其通信的距離只有數(shù)米,。目前市面上RS422接口芯片有很多,，每種接口芯片都能滿足最大傳輸速率10 Mb/s的需求，所以在已有硬件的基礎(chǔ)上如何提高通信速率,，對(duì)RS422的應(yīng)用具有重要的意義,。

1 綜合因素分析

    影響RS422傳輸速率的因素主要有兩種，一種為電纜的電氣特性,，理想狀態(tài)下電纜對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)沒(méi)有任何的影響,，實(shí)際情況受到分布電阻和電容等的影響，使得信號(hào)在電纜中衰減,、反射,，另一種是RS422傳輸協(xié)議的弊端，UART協(xié)議是通過(guò)判斷電平來(lái)進(jìn)行解碼,，這樣增加了數(shù)據(jù)通信的間隔,，這也是限制RS422通信速率的重要因素。本文從傳輸介質(zhì)和傳輸方式兩方面分析,，找出約束傳輸速率的主要因素,，通過(guò)技術(shù)方法改進(jìn)存在的缺陷，使信號(hào)在30 m長(zhǎng)的電纜上以10 Mb/s的速率傳輸而不出現(xiàn)誤碼,。

2 電纜特性

    電纜不僅僅是承載傳輸信號(hào)的媒介,，同時(shí)也是決定信號(hào)頻率優(yōu)劣的主要因素。在電纜中,，電纜的頻率特性和電纜上的反射對(duì)電信號(hào)的高速傳輸產(chǎn)生極大的影響,。對(duì)于雙絞線構(gòu)成的電纜，其線纜衰減特性等效電路模型如圖1所示,，可以看出在高速信號(hào)的傳輸中,，這些影響因素都是頻率的函數(shù)。將串聯(lián)電阻用R(f)表示，串聯(lián)電感用L(f)表示,、并聯(lián)電容用C(f)表示,，并聯(lián)電導(dǎo)用G(f)表示。

    其串聯(lián)阻抗Z(f)可以表示為：

    根據(jù)雙絞線傳輸線理論,，雙絞線電纜作為有損傳輸線,，其總衰減損耗包括兩部分，一部分為趨膚效應(yīng)的損耗,，趨膚損耗與頻率的平方根成正比,，并且趨膚效應(yīng)使電纜的分布電阻增加；一部分為介質(zhì)損耗,，介質(zhì)損耗與頻率成正比,，隨著頻率的升高導(dǎo)致了更為陡峭的衰減^[2]。兩者都是頻率的正相關(guān)函數(shù),，也是電纜長(zhǎng)度的函數(shù),，當(dāng)頻率達(dá)到一定值時(shí)，線路的損耗隨著電纜長(zhǎng)度的增加而增加,。所以在高速傳輸時(shí),，衰減損耗對(duì)有用信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯蔷薮蟮摹?shí)際應(yīng)用中由于電纜的阻抗分布不均勻以及與接收設(shè)備的阻抗不匹配,，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸線上反射,，這也是影響傳輸信號(hào)的重要原因。由式(3)可以得出,，雙絞線的特性阻抗是一個(gè)與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的量,，但是當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，由于電纜長(zhǎng)度的增加,，會(huì)使反射波在雙絞線中持續(xù)的時(shí)間增長(zhǎng),，影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量,。

    電纜的頻率特性和線上反射是決定長(zhǎng)線傳輸中信號(hào)頻率優(yōu)劣的主要因素,，考慮到電纜和UART協(xié)議的特性，理論上RS422的傳輸速率最大為10 Mb/s,，與設(shè)法提升電纜的性能相比,，設(shè)計(jì)一種適合RS422接口并且不大幅增加現(xiàn)有處理器負(fù)擔(dān)的通信協(xié)議來(lái)達(dá)到最大傳輸速率是最為有效的。本文借鑒常見(jiàn)的高速總線編碼方法,，開(kāi)發(fā)了一種適應(yīng)RS422傳輸?shù)木幋a方法,。

3 6B/10B編碼介紹

    傳統(tǒng)的8B/10B編碼是將8 bit的數(shù)據(jù)拆分成兩組，分別為3 bit和5 bit,，然后再分別將3 bit映射成4 bit,，將5 bit映射成6 bit。在進(jìn)行直流平衡時(shí)提出不平衡度的概念，通過(guò)記錄前級(jí)極性的狀態(tài),，匹配相反極性的數(shù)據(jù)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)直流平衡和最大化信道帶寬利用率,，從而使數(shù)據(jù)可靠傳輸。為了達(dá)到直流平衡,，8B/10B編碼借助總共268個(gè)字符以及與之對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)碼來(lái)判斷極性,，在邏輯上存在很大的開(kāi)銷。在RS422接口通信中,，傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒(méi)有交流耦合電路,，所以不需要嚴(yán)格意義上的直流平衡，并且不需要較高的傳輸效率,，這就為簡(jiǎn)化編碼提供給了可能,。

    改進(jìn)型6B/10B編碼為傳統(tǒng)8B/10B編碼的精簡(jiǎn)版，在6B/10B編碼中,，降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸帶寬,，將一次性傳輸有效數(shù)據(jù)位數(shù)減小為4 bit，增加了兩位標(biāo)志位,，確定是否是高4 bit還是低4 bit,；同時(shí)采用線性分組碼向前糾錯(cuò)方式（FEC）增加了監(jiān)督位，根據(jù)分組原則,，增加了4 bit監(jiān)督位,，從而通過(guò)監(jiān)督公式確定誤碼位置，完成數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)控制,。6B/10B編碼需要每次傳輸10 bit,，根據(jù)線性分組碼的編碼原理采用4個(gè)監(jiān)督位理論上可以產(chǎn)生16種校正子碼組，10 bit數(shù)據(jù)需要10種校正子碼組^[3],。經(jīng)過(guò)分析得出10種合適的校正碼子和誤碼位置如表1所示,。其中S₁、S₂,、S₃,、S₄表示由監(jiān)督關(guān)系方程式計(jì)算得到的校正子，A₀~A₉為誤碼位置,，則校正子的值可以由以下公式獲得：

    在傳輸中,，信息碼元是隨機(jī)的，監(jiān)督碼元可以由其監(jiān)督公式得出,，監(jiān)督公式如下：

    經(jīng)過(guò)以上分析,，得出數(shù)據(jù)的具體傳輸格式如表2所示。

    具體的編碼規(guī)則為：一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)分兩次傳輸,，首次發(fā)送該字節(jié)的低4 bit,，其次發(fā)送該字節(jié)的高4 bit,。確定4 bit有效數(shù)據(jù)和兩位的標(biāo)志位(10：數(shù)據(jù)低4 bit；11數(shù)據(jù)的高4 bit)后,，可以根據(jù)監(jiān)督公式確定傳輸數(shù)據(jù)10B中的后4 bit,。根據(jù)監(jiān)督公式和編碼規(guī)則可以得出64個(gè)有效碼組合來(lái)用于傳輸數(shù)據(jù)，借鑒8B/10B編碼規(guī)則,，選用的有效碼組盡量做到連續(xù)“0”或“1”的個(gè)數(shù)不達(dá)到5個(gè),。通過(guò)對(duì)比，標(biāo)志位(A₉,、A₈)為“10”和“11”時(shí)直流平衡度要好于標(biāo)志位為“00”和“01”的有效碼組的數(shù)據(jù),。考慮到1位誤碼的冗余,，無(wú)效冗余碼接收時(shí)均當(dāng)作無(wú)效碼處理,。因?yàn)镽S422的傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒(méi)有交流耦合電路，所以對(duì)碼組的直接應(yīng)用導(dǎo)致的非直流平衡對(duì)傳輸?shù)乃俾屎蜏?zhǔn)確度無(wú)較大影響,。采用6B/10B編碼方式與傳統(tǒng)的8B/10B編碼相比,，減小了判斷極性的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了邏輯,。采用傳輸4 bit有效數(shù)據(jù)降低了一定的傳輸速率,，但是對(duì)于RS422中低速傳輸沒(méi)有影響^[4-6]。

4 編碼算法在RS422通信的實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)已知要求搭建硬件平臺(tái),，此平臺(tái)完成收據(jù)的收發(fā)功能,，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸模型如圖2所示,。系統(tǒng)中主控芯片采用XC3S400型號(hào)的FPGA,，外接40 MHz晶振滿足傳輸速率的時(shí)鐘要求^[7]；RS422收發(fā)芯片采用MAX3295和MAX3284,，此類芯片接口支持的最大速率可以達(dá)到20 Mb/s,，滿足設(shè)計(jì)需求。

    FPGA發(fā)送端發(fā)送復(fù)位命令,，在發(fā)送復(fù)位命令的同時(shí)自身復(fù)位,，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。繼續(xù)發(fā)送字同步,、移位脈沖,，根據(jù)幀格式在每個(gè)移位脈沖的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)^[8]。因?yàn)椴捎?B/10B編碼時(shí)有效帶寬為4 bit,，所以每個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)需要傳輸兩次，第一次傳輸數(shù)據(jù)的低4 bit,，第二次傳輸數(shù)據(jù)的高4 bit,。接收端接收到復(fù)位命令后復(fù)位，然后根據(jù)字同步信號(hào)進(jìn)行同步處理，最后根據(jù)移位脈沖信號(hào)判斷,，在移位脈沖的上升沿接收數(shù)據(jù)并計(jì)算校正子,，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，按照編碼格式進(jìn)行解碼,。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)有一位數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)可以自動(dòng)糾錯(cuò),，保證數(shù)據(jù)正確接收。發(fā)送接收流程如圖3所示,。

5 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證理論的可行性,，在已有硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭建完整的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。設(shè)計(jì)RS422收發(fā)板卡并且與CPCI機(jī)箱相連^[9],；搭建了30 m距離的通信電纜進(jìn)行通信,，并且編寫(xiě)相應(yīng)的上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和分析。發(fā)送端以10 Mb/s向接收端發(fā)送遞增數(shù),，遞增數(shù)的內(nèi)容為00H~FFH,，并且增加幀計(jì)數(shù)用來(lái)判斷是否丟包和增加幀標(biāo)志易于一幀數(shù)據(jù)的判斷。接收端接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,，在接收1 GB的數(shù)據(jù)容量?jī)?nèi)無(wú)誤碼,。圖4為測(cè)試結(jié)果部分截圖。重復(fù)以上過(guò)程,，在100次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,，數(shù)據(jù)完整無(wú)誤碼，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性,。

6 結(jié)論

    本文對(duì)制約RS422傳輸距離和速率的因素進(jìn)行分析,，在不改變?cè)杏布幕A(chǔ)上，通過(guò)分析得出對(duì)電纜性能的提升存在技術(shù)和工藝上的難點(diǎn),，對(duì)信號(hào)傳輸方式的改變是簡(jiǎn)單易行的,。通過(guò)借鑒高速傳輸總線的編碼方法，提出了一種適合RS422傳輸?shù)木幋a方式,，采用8B/10B改進(jìn)版的6B/10B編碼方法,。該方法去掉了8B/10B中繁瑣的直流平衡匹配，編碼數(shù)量少并且編碼表唯一,，在一定程度上達(dá)到了數(shù)據(jù)的直流平衡,，減小了處理器負(fù)擔(dān)；增加了向前糾錯(cuò)的功能,，可以自動(dòng)糾正一位出錯(cuò)位,，使數(shù)據(jù)可靠傳輸；數(shù)據(jù)從6B映射到10B,，增加了電平的跳變,，能夠使處理器更加快速地識(shí)別數(shù)據(jù)信息,，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，該編碼方法簡(jiǎn)單可靠,，能夠使數(shù)據(jù)在30 m長(zhǎng)的雙絞線電纜上以10 Mb/s的速率長(zhǎng)時(shí)間傳輸不出現(xiàn)誤碼，在工程中提高了RS422接口數(shù)據(jù)的吞吐率,，達(dá)到很好的應(yīng)用效果,。因?yàn)?B/10B編碼具有直流平衡的特點(diǎn)，同樣適用于中低速的LVDS傳輸,，對(duì)LVDS傳輸邏輯上的簡(jiǎn)化也有借鑒意義,。

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作者信息:

任勇峰，王小兵,，張凱華

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，山西 太原030051）