高速1553總線分立器件收發(fā)器設(shè)計(jì)

　　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(wèn)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(lèi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)發(fā)出的1553高速收發(fā)器分為兩類(lèi)：一類(lèi)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(lèi)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(kāi)關(guān)速度可達(dá)2 200 MHz，開(kāi)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(zhuān)為高速1553收發(fā)器設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)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。

　　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(guò)跳線選擇3.3 V電源或GND，以控制發(fā)送器的開(kāi)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(guò)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(guò)電平轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)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(guò)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(guò)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。

　　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。

　　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：

　　通過(guò)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(guò)。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" alt="QQ圖片20161223152436.png">代入式（1）有：

　　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(guò)，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：

　　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(mén)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(guò)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(guò)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］。

　　發(fā)送器的輸出波形如圖5所示。

　　經(jīng)過(guò)比較器之后的波形如圖6所示。

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(wèn)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。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 熊華鋼.1553B總線通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用，1997，23(8)：27-28.

　?。?］ 劉士全，黃正，蔡潔明，等. 1553B總線應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)序分析［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34(1)：69-71.

　?。?］ 李海軍，牟俊杰，孫海文. 高速1553B總線控制器通信管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(17)：16-18.

　?。?］ KELLER J. Rebirth of the 1553 databus［EB/OL］.(2006-02-01)［2016-04-29］http://www.militaryaerospace.com/index.html.

　　［5］ TI. Dual bit dual supply bus transceiver with configurable voltage translation and 3 state outputs［Z］. 2007.

　?。?］ NXP. BLF6G21 10G, power LDMOS transistor product data sheet［Z］. 2009.

　?。?］ TI. Very low power, negative rail input, rail to rail output, fully differential amplifier［Z］. 2010.

　?。?］ ADI. Ultrafast, 4 ns Single Supply Comparators［Z］. 2006.

　　［9］ NS. Precision micropower low dropout voltage reference［Z］. 2005.

　?。?0］ DDC. ACE/mini ACE series BC/RT/MT advanced communication engine integrated 1553 terminal user’s guide［Z］. 2008.