0 引言

    在高速差分總線LVDS廣泛應用的時代,，RS422以可靠性高以及成本低的特點依然廣泛應用于各個領域,，許多成熟定型的產(chǎn)品仍然需要采取RS422接口來進行數(shù)據(jù)傳輸。例如在遙測系統(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，無法達到很高的速率,，理論上在距離很短的情況下,，最大的傳輸速率可以達到10 Mb/s，但在實際應用中,，波特率最高只能達到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到115.2 Kb/s～916 Kb/s之間^[1]。一些技術(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，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上如何提高通信速率,，對RS422的應用具有重要的意義,。

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)下電纜對傳輸?shù)男盘枦]有任何的影響,，實際情況受到分布電阻和電容等的影響，使得信號在電纜中衰減、反射,，另一種是RS422傳輸協(xié)議的弊端,，UART協(xié)議是通過判斷電平來進行解碼，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,，通過技術方法改進存在的缺陷,，使信號在30 m長的電纜上以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的媒介,，同時也是決定信號頻率優(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電信號的高速傳輸產(chǎn)生極大的影響,。對于雙絞線構成的電纜,，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，一部分為趨膚效應的損耗,，趨膚損耗與頻率的平方根成正比,，并且趨膚效應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,，隨著頻率的升高導致了更為陡峭的衰減^[2]。兩者都是頻率的正相關函數(shù),，也是電纜長度的函數(shù),，當頻率達到一定值時，線路的損耗隨著電纜長度的增加而增加,。所以在高速傳輸時,，衰減損耗對有用信號傳輸?shù)挠绊懯蔷薮蟮摹嶋H應用中由于電纜的阻抗分布不均勻以及與接收設備的阻抗不匹配,，導致信號在傳輸線上反射,，這也是影響傳輸信號的重要原因,。由式(3)可以得出，雙絞線的特性阻抗是一個與長度無關的量,，但是當阻抗不匹配時，由于電纜長度的增加,，會使反射波在雙絞線中持續(xù)的時間增長,，影響信號的傳輸質(zhì)量。

    電纜的頻率特性和線上反射是決定長線傳輸中信號頻率優(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，與設法提升電纜的性能相比,，設計一種適合RS422接口并且不大幅增加現(xiàn)有處理器負擔的通信協(xié)議來達到最大傳輸速率是最為有效的,。本文借鑒常見的高速總線編碼方法，開發(fā)了一種適應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,。在進行直流平衡時提出不平衡度的概念，通過記錄前級極性的狀態(tài),，匹配相反極性的數(shù)據(jù)編碼來實現(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。為了達到直流平衡,，8B/10B編碼借助總共268個字符以及與之對應的反轉碼來判斷極性,，在邏輯上存在很大的開銷。在RS422接口通信中,，傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒有交流耦合電路,，所以不需要嚴格意義上的直流平衡，并且不需要較高的傳輸效率,，這就為簡化編碼提供給了可能,。

    改進型6B/10B編碼為傳統(tǒng)8B/10B編碼的精簡版，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，增加了兩位標志位,，確定是否是高4 bit還是低4 bit,；同時采用線性分組碼向前糾錯方式（FEC）增加了監(jiān)督位，根據(jù)分組原則,，增加了4 bit監(jiān)督位,，從而通過監(jiān)督公式確定誤碼位置,，完成數(shù)據(jù)的糾錯控制。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)督關系方程式計算得到的校正子,，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個有效碼組合來用于傳輸數(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”的個數(shù)不達到5個,。通過對比，標志位(A₉,、A₈)為“10”和“11”時直流平衡度要好于標志位為“00”和“01”的有效碼組的數(shù)據(jù),。考慮到1位誤碼的冗余,，無效冗余碼接收時均當作無效碼處理,。因為RS422的傳輸速率不高于10 Mb/s并且沒有交流耦合電路，所以對碼組的直接應用導致的非直流平衡對傳輸?shù)乃俾屎蜏蚀_度無較大影響,。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雜性，簡化了邏輯,。采用傳輸4 bit有效數(shù)據(jù)降低了一定的傳輸速率,，但是對于RS422中低速傳輸沒有影響^[4-6]。

4 編碼算法在RS422通信的實現(xiàn)

    根據(jù)已知要求搭建硬件平臺,，此平臺完成收據(jù)的收發(fā)功能,，并且能夠對數(shù)據(jù)進行處理,，傳輸模型如圖2所示。系統(tǒng)中主控芯片采用XC3S400型號的FPGA,，外接40 MHz晶振滿足傳輸速率的時鐘要求^[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到20 Mb/s,，滿足設計需求,。

    FPGA發(fā)送端發(fā)送復位命令，在發(fā)送復位命令的同時自身復位,，準備接收數(shù)據(jù),。繼續(xù)發(fā)送字同步,、移位脈沖,，根據(jù)幀格式在每個移位脈沖的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)^[8]。因為采用6B/10B編碼時有效帶寬為4 bit,，所以每個字節(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,。接收端接收到復位命令后復位,，然后根據(jù)字同步信號進行同步處理，最后根據(jù)移位脈沖信號判斷,，在移位脈沖的上升沿接收數(shù)據(jù)并計算校正子,，對數(shù)據(jù)進行校驗，按照編碼格式進行解碼,。當傳輸數(shù)據(jù)有一位數(shù)據(jù)出錯時可以自動糾錯,，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)驗證

    為了驗證理論的可行性,，在已有硬件平臺的基礎上搭建完整的閉環(huán)測試系統(tǒng)。設計RS422收發(fā)板卡并且與CPCI機箱相連^[9],；搭建了30 m距離的通信電纜進行通信,，并且編寫相應的上位機軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲和分析。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,，并且增加幀計數(shù)用來判斷是否丟包和增加幀標志易于一幀數(shù)據(jù)的判斷。接收端接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析和處理,，在接收1 GB的數(shù)據(jù)容量內(nèi)無誤碼,。圖4為測試結果部分截圖。重復以上過程,，在100次試驗數(shù)據(jù)中,，數(shù)據(jù)完整無誤碼,，驗證了設計的可行性。

6 結論

    本文對制約RS422傳輸距離和速率的因素進行分析,，在不改變原有硬件的基礎上,，通過分析得出對電纜性能的提升存在技術和工藝上的難點，對信號傳輸方式的改變是簡單易行的,。通過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，在一定程度上達到了數(shù)據(jù)的直流平衡,，減小了處理器負擔,；增加了向前糾錯的功能，可以自動糾正一位出錯位,，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別數(shù)據(jù)信息,，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。經(jīng)過大量實驗驗證,，該編碼方法簡單可靠,，能夠使數(shù)據(jù)在30 m長的雙絞線電纜上以10 Mb/s的速率長時間傳輸不出現(xiàn)誤碼，在工程中提高了RS422接口數(shù)據(jù)的吞吐率,，達到很好的應用效果,。因為6B/10B編碼具有直流平衡的特點，同樣適用于中低速的LVDS傳輸,，對LVDS傳輸邏輯上的簡化也有借鑒意義,。

參考文獻

[1] 胡博，邢廣義,，王蕊.RS422/485串行接口數(shù)據(jù)吞吐率提高技術研究[J].工業(yè)控制計算機,，2017，30(11)：30-31.

[2] 方煒,，任勇峰,，儲成群，等.低電壓差分信號遠距離通信電纜參數(shù)估計[J].科學技術與工程,，2018,，18(19)：209-212.

[3] 劉佳寧，文豐,，王淑琴,，等.基于LVDS的高可靠性長線傳輸設計[J].電子器件,，2017，40(5)：1209-1213.

[4] 趙俊江,，張會新.一種高速大容量圖像存儲裝置的關鍵技術研究[J].現(xiàn)代電子技術,，2017，40(12)：144-147,，151.

[5] 邱永成,，謝榮清，郭軼.基于雙CPCI總線的地震數(shù)據(jù)采集接口卡設計[J].電子技術應用,，2017,，43(5)：102-105.

[6] 李健，劉歆瀏.目標二次提取法在高幀頻視頻跟蹤器上的應用[J].兵器裝備工程學報,，2017,，38(6)：66-69.

[7] 李夏如，王慧忠,，姜周曙,，等.模擬發(fā)控裝置RS422通信單元可靠性設計研究[J].測控技術,，2018,，37(8)：107-110，116.

[8] 呂鳴,，滕斌.一種飛機機載數(shù)據(jù)中繼管理單元設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用,，2018，44(6)：52-55.

[9] 郭佳欣,，單彥虎,，任勇峰，等.一種提高RS422/RS485可靠性通信方法的研究[J].科學技術與工程,，2017,，17(9)：206-213.

作者信息:

任勇峰，王小兵,，張凱華

（中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,，山西 太原030051）