一种分段隔离差分总线接口电路

赵博华，苏寒刚，朱晓建

（中国邮政集团公司上海科学研究院 上海 200062）

上海邮政科学研究院研制并生产的信函分拣机，挂号信分拣机等大中型邮政信函自动化分拣设备，它们实现对邮政信函的单封分离、邮政信息阅读识别和高速集堆等一系列信函分拣流程。标准配置的分拣机格口数目一般为300左右，整机长度超过50 m[1-2]。系统的控制网络为总分式树形结构，其中，一台工控机作为控制系统的主机，分拣机的其他硬件设备在长度方向上分成若干模块，每个模块受所属模块控制电路控制，各模块控制电路接受主机访问和控制，模块电路与主机的通信方式为全双工并行差分总线方式。这种差分总线传输方式的抗共模干扰性能较好[3]。但在分拣机的工程应用方面，易出现下面的问题：

1）若一个模块电路与总线连接错误，可导致总线上其他模块电路损坏，损坏的模块位置和数量不确定。

2）一条长度>50 m的总线，连接多个模块电路，不利于安装和维修。

3）一条总线沿设备长度方向贯穿始终，电磁设备耦合的干扰导致总线的驱动能力随长度的增大而减弱。

目前对总线有高速光耦隔离和磁隔离两种方式[4-5]，也有基于MCU的隔离型中继器[6]，但是隔离方法均为每个节点对整条公共总线的隔离，这种方法对1）和3）有改善作用，但还不能解决问题2）。

为了解决上述3个问题，文中提出一种分段隔离差分总线接口电路，此电路作为主控机与模块电路之间、模块电路与模块电路之间的总线接口电路，既兼容控制系统的原通讯协议，又能对主控机和各模块之间的电路进行了电气隔离，尤其实现将一条长总线分割成若干段，每段的长度为主控机与其相邻模块的距离或两相邻模块距离。与原模块控制电路直接连接至总线的方式相比，本文设计的接口电路的优点为：1）总线误接只损坏误接模块的接口电路，不会涉及到当前的模块处理电路，更不会影响其他模块的电路；2）分段的连线无疑降低了安装和维修的难度，提高系统的可靠程度；3）电气隔离避免了总线耦合电磁干扰的累积。

1 控制系统结构基础

本文设计接口电路以现有控制系统结构为基础，如图1所示为现有邮政信函自动分捡设备的控制系统网络拓扑图。

图1 信函的自动分捡设备的控制系统网络拓扑图Fig.1 Control system topology of letter sorting equipment

由图1可知每个模块具有一个模块控制电路、若干功能处理电路、大量的传感器和执行器，功能电路与部分传感器和执行器都与当前模块的模块控制电路直接连接，传感器以光电传感器为主，执行器包含大量的电磁铁转折器和马达等。主控机发出的控制信号（地址和数据）沿设备长度方向的全双工并行差分总线，传输至各个模块，地址信号与模块控制电路的ID唯一对应。传感器或模块内功能电路输出信号经过模块控制电路处理后经总线传输至主控机。

2 电路工作原理

图2 电路工作原理示意图Fig.2 Working principle of the circuit

本文接口电路原理如图2所示，包括电磁隔离器（电磁隔离1、电磁隔离2、电磁隔离3和电磁隔离4）、隔离电源（隔离电源1和隔离电源2）、差分线路驱动器（差分驱动1、差分驱动2、差分驱动3和差分驱动4）、总线收发器（总线收发1和总线收发2）以及控制总线收发器选通CPLD。其中，差分驱动器用于将总线输入的差分信号转换成TTL信号，或将TTL信号转换为差分信号输出到总线上。电磁隔离器用于TTL信号的隔离，包括经差分驱动器转换的TTL信号或是当前模块准备输出到总线上的TTL信号。总线收发器用于当前模块控制电路输出信号或总线上其他模块板输出信号的互斥选通，控制选通的信号根据总线输入地址信号经CPLD对输入地址的逻辑运算得到[7]。隔离电源给隔离后的电磁隔离器和驱动器供电。

如图2所示，当包含地址和数据的总线输入信号1由主控机或与当前模块相邻且接近主控机方向的模块接口电路（本文简称“上临电路”）通过总线输入到当前模块接口电路，首先经过差分驱动1将差分信号转换成TTL信号，TTL信号经过电磁隔离1后，输入到当前模块控制电路，同时也被电磁隔离2隔离后，经过差分驱动2转换为差分信号，作为总线输入信号2，发送到与当前模块电路相邻且远离主控机方向的模块接口电路（本文简称“下临电路”）。

由当前模块接口电路发送至主控机或“上临电路”的信号为总线输出信号1（包括输出数据），总线输出信号的来源两个途径，其一是当前模块控制电路处理得到的输出信号，其二是“下临电路”传输到当前模块接口电路的总线输出信号2，其中二者只能有其中之一被发送到“上临电路”或主机。“下临电路”的总线输出信号2经过差分驱动4转换成TTL信号，此信号经过电磁隔离4后通过总线收发1被使能或禁止传输至电磁隔离3，当前模块控制电路处理得到的输出信号通过总线收发2被使能或禁止传输至电磁隔离3，总线收发1和总线收发2为互斥选通，保证只有一个通道的信号可传输至电磁隔离3，隔离的TTL信号经差分驱动3传输到主控机或“上临电路”。

因此本文提出的这种连接方式可使总线分段，且总线的输入输出信号在进入模块电路之前经过电磁隔离。本文提出控制系统传输方式如图3所示。

图3 基于分段隔离总线的控制系统信息传输方式示意图Fig.3 Information transmission of control system based on segmented and isolated bus

3 电路实现

隔离电路的主要芯片包括：差分驱动器AM26LS31和AM26LS32，隔离芯片ISO7240系列，总线收发器74125，DCDC隔离电源。如图4所示，P1和P2为当前模块接口电路的总线插座，其中P1用来连接主控机或“上临电路”，P2用来连接“下临电路”，图中省略了各器件的供电电路。经过4（a）所示的差分转换与隔离得到的A0，A1为地址信号，ID0，ID1为输入数据，这些数据传输至当前模块控制电路，又同时经过图4（b）隔离和差分转换传输至“下临电路”。OD0a-OD3a为“下临电路”传输至当前模块接口电路的一组输出数据，OD0b-OD3b为当前模块控制电路传输至接口电路的一组输出数据，两组数据由U10和U5控制传输，CONTROL1与“CONTROL2”为互斥信号，保证一个时刻只有一组数据能有效传输至主控机或“上临电路”。

图4 主要电路原理图Fig.4 Main circuit schematics

4 实验

本文先后对此接口电路进行了单电路测试和双电路级联测试，利用BinTest测试软件（界面如图5所示），对各地址的I/O进行读/写操作，电脑显示数据和执行器反应均正确无误。

本接口电路在上海邮政中心局的两台挂号信分拣机和三台MPS分拣机进行现场测试，已经稳定运行2 000小时以上。

5 结 论

综上，本文设计的分段隔离总线接口电路将总线驱动技术和电磁隔离技术相结合，此接口作为总线上的每一个节点电路与总线之间的信号转换电路，信号经过差分抓换和隔离的正反向过程，实现了：1）各节点电路（模块处理电路）的电气隔离，增强了抗干扰性能并降低了总线上故障电路对其他电路的影响；2）接口电路的总线输入和输出端口将一条长总线分成只有模块间距长度的若干短线段，便于工程安装和维护；3）总线信号在经过每个节点电路时，数字信号均被整形和放大，提高了总线信号的驱动能力与稳定性。此外，本设计可仅对现有全双工总线构架做硬件改进，可兼容原传输协议。

图5 BinTest测试软件Fig.5 BinTest testing software

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