5.3.3 数字量采集与发送接口
5.3.3.1 RS-422接口
RS-422采用平衡传输方式（或称为差分传输方式），驱动器（发送端）标记为D，接收器（接收端）标记为R，终端电阻标记为RT，驱动器输出构成差分对的两条线路，分别表示为A和B，发送驱动器端A、B之间的正电平在+2～+6 V，代表正逻辑；负电平在-6～-2 V，代表负逻辑。在接收端，当A＇、B＇之间有大于+200 m V（典型值）的电平时，输出正逻辑电平；小于-200 m V（典型值）时，输出负逻辑电平，如图5- 17所示。
图5-16 OC型输出接口典型电路
图5-17 平衡传输接口
1）接口电路特性
（1）RS-422接收器采用高输入阻抗设计，允许在相同传输线上连接多个接收节点（最多可接10个节点），支持点对多（一个主设备对多个从设备）的双向通信。
（2）RS-422接收终端应并接终端电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。
2）接口电路设计
RS-422接口电路设计中应考虑终端匹配、断开故障终端保护、短路故障终端保护、输出保护、双机/冷机隔离等因素。
（1）终端匹配。RS-422接口电路应在接收器的输入端串接终端匹配电阻，终端电阻的阻抗与电缆的特征阻抗相匹配。在数据速率要求不高而需要降低静态功耗的情况下，采用交流终端匹配方式，即在终端电阻上串联一个额外的电容（图5- 18）。
图5-18 交流终端匹配方式
（2）断开故障终端保护。在接收器输入端处未连接状态或意外断开状态时，应确保接收器差分输入电压的绝对值大于200 m V，确保接收器输出时可以预知的状态。应在接收器的输入端分别采用上拉电阻和下拉电阻。断开故障终端保护连接方式如图5-19所示。
图5-19 断开故障终端保护连接方式
（3）短路故障终端保护。电路设计中应考虑电缆某处差分输出发生短路的情况，可在接收器的输入端串接额外的电阻。
（4）输出保护。电路设计中应考虑输出端意外短路及单端匹配的情况，应在发送器输出端串接电阻。输出保护连接方式如图5- 20所示。
图5-20 输出保护连接方式
（5）双机/冷机隔离。在采用断开保护端连接时，应考虑接收器端单机断电而发送器端单机供电的情况，在上拉电阻和电源端串接隔离二极管。对于接收端为双机且存在冷备份情况的单机，同样应串接隔离二极管。双机/冷机隔离连接方式如图5- 21所示。
图5-21 双机/冷机隔离连接方式
（6）接地连接。发送器的地线应和接收器的地线连接，地线未连接易对芯片造成损伤。3）典型应用模式
（1）一对一模式指一发一收的形式，如图5- 22所示。
图5-22 一对一模式示意图
一般地，在供电电压为5 V的系统中，一对一模式电路设计电阻取值建议见表5- 2。
表5-2 电路设计分析
（2）一对二模式指一发两收的形式，如图5-23所示。
一对二收发形式适用于双机冗余共用，冷热冗余均可。
（3）二对一模式是指二发一收的形式，如图5-24所示。两个发送端不能同时使能，即在同一时刻只有一个发送器输出。
二对一收发形式适用于双机冗余同处一个单机，A机和B机的输入合并点在单机内部。
图5-23 一对二模式示意图
图5-24 二对一模式示意图
（4）二对二模式是指二发二收的形式，如图5-25所示。各发送端不能同时使能，即在同一时刻只有一个发送器输出。
4）低功耗应用模式
在通信电路应用场景有低功耗需求，并且传输码速率需求不高时，可以采用如图5-26～图5-29所示低功耗模式电路进行设计。
5.3.3.2 LVDS接口
LVDS是一种高速点到点应用通信标准。LVDS使用差分信号，通过这种双线式通信方法，接收器将根据两个互补电信号之间的电压差检测数据。
图5-25 二对二模式示意图
图5-26 低功耗一对一模式示意图
图5-27 低功耗一对二模式示意图
图5-28 低功耗二对一模式示意图
图5-29 低功耗二对二模式示意图
LVDS电路接口由三部分组成：差分信号驱动器、差分信号互联器和差分信号接收器。LVDS接口芯片的功能是实现低压差分信号与晶体管-晶体管逻辑电平（transistor transistor logic，TTL）信号之间的转换。驱动器将输入的TTL信号转换为LVDS信号并输出，接收器将输入的LVDS信号转换为TTL信号并输出。
LVDS信号传输组成如图5-30所示。其中，差分信号驱动器是将非平衡传输的TTL信号转换成平衡传输的LVDS信号；差分信号接收器是将平衡传输的LVDS信号转换成非平衡传输的TTL信号；差分信号互联器包括连接线（电缆或PCB走线），终端匹配电阻R。
1）接口电路特性
对LVDS而言，一个信号线路为同相（逻辑1高电平，逻辑0低电平），另一个信号线路为反相（即与同相信号互补）。两个信号线路之间的电压差称为差分电压，两个信号最大电压摆幅|VOD|，以共模电压VOC为中心，差分电压围绕0 V摆动。图5-31显示了典型LVDS信号电平、差分信号VOD和共模电压VOC。此图中，VOUT+为同相信号，VOUT-为反相信号。
图5-30 LVDS信号传输组成
图5-31 LVDS输出电平
LVDS差分电压由驱动器电流源生成。同相LVDS驱动器输出或接收器输入通常用“+”表示，反相驱动器输出或接收器输入则用“-”表示。
驱动器采用恒流源，差分驱动器采用奇模传输方式，即等量的方向相反的电流分别在传输线路上传送。电流会重新回流到双绞线内，加上电流环路面积较小，因此产生的电磁干扰最少。此外，驱动器输出可容许传输线路出现短路情况，不会产生过热。
接收器为高阻抗芯片，可检测到20 m V的差分信号，然后将其放大达到标准逻辑电位。差分信号具有1.2 V的典型驱动器补偿电压，而接收器可接收0～2.4 V的输入电压，因此可以抑制来自传输线路高达±1 V的共模噪声。
2）接口电路组成
（1）驱动器电路设计。LVDS驱动器的外围电路参考设计如图5- 32所示。
图5-32 LVDS驱动器的外围电路参考设计
LVDS驱动器使能端通过电阻接地，禁止端通过电阻接地或与其他控制电路连接。
当两个LVDS接口电路互为热备份工作时，使能端通过下拉电阻（不超过10 kΩ）接地，禁止端由其他电路控制，保证设备工作时，使能端处于低电平，禁止端处于低电平；设备不工作时，使能端处于低电平，禁止端处于高电平，接口芯片输出高阻态。
LVDS驱动器空闲的TTL输入管脚一般通过上拉电阻连接到电源或通过下拉电阻连接到地；LVDS驱动器空闲的LVDS输出管脚可悬空不接。
在LVDS驱动器电源端加限流电阻，为了提高设计可靠性，可采用两个电阻并联方式。应根据器件的工作电压、最大工作电流指标，确定电阻最大压降，计算电阻阻值。在LVDS驱动器电源端加去耦电容，为了防止电容对地失效，可采用两个电容串联方式，电容摆放位置尽可能地距电源引脚较近，使用多个过孔连接旁路电容到电源平面上。LVDS电路的外围供电电路参考设计如图5- 33所示。
图5-33 LVDS电路的外围供电电路参考设计
（2）接收器电路设计。LVDS接收器的外围电路参考设计如图5- 34所示。
图5-34 LVDS接收器的外围电路参考设计
LVDS接收器使能端通过电阻接地，禁止端通过电阻接地或与其他控制电路连接。
当两个LVDS接口电路互为热备份工作时，使能端通过下拉电阻（不超过10 kΩ）接地，禁止端由其他电路控制，保证设备工作时，使能端处于低电平，禁止端处于低电平；设备不工作时，使能端处于低电平，禁止端处于高电平。LVDS接收器空闲的TTL输出管脚可悬空不接。接收器终端匹配电路一般采用100Ω电阻匹配方式。
LVDS接收器TTL输出时钟信号，在TTL输出管脚端对地串接一个20 pF滤波电容，有效消除反射导致的跳变沿畸变。如果驱动器电路端未连接（电缆未插），或者驱动器电路处于三态输出或处于关电状态，这种情况下的电缆可以看作浮空的天线，会接收噪声信号。建议对输入端口外接上、下拉电阻进行更稳定的保护。将器件“+”输入端接入上拉电阻R1到电源，“-”输入端接入下拉电阻R2到地。外部故障保护电阻接收电路示意图如图5- 35所示。
图5-35 外部故障保护电阻接收电路示意图
3）LVDS电路的典型应用模式
（1）一对一模式。一对一模式适用于发送端接口部分的A机、B机与接收端接口部分的A机、B机均不在同一块印制板的情况，一对一交叉备份连接方式如图5-36所示。接收端通过接收指令来决定接收A机数据或B机数据。
图5-36 一对一交叉备份连接方式
（2）二对一模式。二对一模式适用于发送端接口部分在同一块印制板上的情况，二对一交叉备份连接方式如图5-37所示。此种连接方法主、备份数据交叉在驱动器输出端完成。
图5-37 二对一交叉备份连接方式
采用冷备份时，驱动芯片的差分输出端必须具备断电高阻特性。
备份驱动芯片输出与主份驱动芯片输出之间的连接线应该尽量短，以减少外界对传输信号的干扰，提高数据传输的稳定性。建议将LVDS主、备电路放在同一块印制板上，并且尽量靠近电连接器位置。在发送端，主份驱动芯片与备份驱动芯片以镜像方式安装于印制板正反两侧，LVDS输出端通过过孔连接后输出至电连接器。
（3）一对二模式。一对二模式适用于接收端接口部分在同一块印制板的情况，其连接方式如图5-38所示。
采用冷备份时，接收芯片的差分输入端必须具备断电高阻特性。
5.3.3.3 单端数字量信号输入接口
单端数字量信号输入接口用于单机内部芯片间的信号传输，不建议在单机间通信时使用。单端数字量信号同时送到A机、B机的输入接口时，需要采取一定的隔离措施，确保在一机出现故障情况下不影响备机的正常工作。单端数字量信号输入典型电路如图5-39所示。
单端数字量信号经阻容网络后进入CMOS器件。建议采用冷机高阻隔离芯片，防止冷机时电流倒灌。电阻A＿R1、B＿R1为输入对地电阻，防止输入端悬空；电阻A＿R2、B＿R2为输入隔离电阻，用于输入端的信号隔离；电容A＿C1、A＿C2为输入滤波电容，选取时需要分析其对输入信号的影响。
图5-38 一对二交叉备份方式
图5-39 单端数字量信号输入典型电路
5.3.3.4 单端数字量信号输出接口
单端数字量信号输出接口用于单机内部芯片间的信号传输，不建议在单机间通信时使用。
双机输出的单端数字量信号，主要用于状态信号、功能遥测信号的输出。双机备份分为热备份和冷备份两种模式。在热备份方式中，有权机输出数字量信号，无权机不应输出数字量信号。在冷备份方式中，热机输出数字量信号，且对冷机不产生影响。
为达到数字量输出信号隔离性能要求，可采用两个具有三态输出的芯片并联在一起的形式。在双机热备份情况下，三态输出控制端进行互斥控制，即只能使两台单机输出接口中的一个输出有效，另一个为高阻状态。在双机冷备份情况下，可以采用两个芯片并联，输出的芯片需要具有冷机隔离性能。为保护芯片输出端不被损坏，在芯片的输出端串联保护电阻。单端数字量信号输出典型电路如图5- 40所示。
图5-40 单端数字量信号输出典型电路
CMOS器件建议采用冷机高阻隔离芯片，双机数字量输出信号通过隔离芯片隔离后输出，双机热备份情况下，A＿CTR和B＿CTR信号授权信号控制，为互斥信号。若是冷备份方式，则A＿CTR和B＿CTR信号皆为有效信号（低电平）。电阻A＿R1、B＿R1用于芯片和信号的隔离。