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，許多成熟定型的產品仍然需要采取RS422接口來進行數據傳輸。例如在遙測系統中，RS422的抗干擾能力優于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，理想狀態下電纜對傳輸的信號沒有任何的影響，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傳輸協議的弊端，UART協議是通過判斷電平來進行解碼，這樣增加了數據通信的間隔，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。將串聯電阻用R(f)表示，串聯電感用L(f)表示、并聯電容用C(f)表示，并聯電導用G(f)表示。

    其串聯阻抗Z(f)可以表示為：

    根據雙絞線傳輸線理論，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；一部分為介質損耗，介質損耗與頻率成正比，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，也是電纜長度的函數，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的影響是巨大的。實際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的時間增長，影響信號的傳輸質量。

    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劣的主要因素，考慮到電纜和UART協議的特性，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有處理器負擔的通信協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，開發了一種適應RS422傳輸的編碼方法。

3 6B/10B編碼介紹

    傳統的8B/10B編碼是將8 bit的數據拆分成兩組，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，匹配相反極性的數據編碼來實現直流平衡和最大化信道帶寬利用率，從而使數據可靠傳輸。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8B/10B編碼的精簡版，在6B/10B編碼中，降低了有效數據的傳輸帶寬，將一次性傳輸有效數據位數減小為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）增加了監督位，根據分組原則，增加了4 bit監督位，從而通過監督公式確定誤碼位置，完成數據的糾錯控制。6B/10B編碼需要每次傳輸10 bit，根據線性分組碼的編碼原理采用4個監督位理論上可以產生16種校正子碼組，10 bit數據需要10種校正子碼組^[3]。經過分析得出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，監督碼元可以由其監督公式得出，監督公式如下：

    經過以上分析，得出數據的具體傳輸格式如表2所示。

    具體的編碼規則為：一個字節數據分兩次傳輸，首次發送該字節的低4 bit，其次發送該字節的高4 bit。確定4 bit有效數據和兩位的標志位(10：數據低4 bit；11數據的高4 bit)后，可以根據監督公式確定傳輸數據10B中的后4 bit。根據監督公式和編碼規則可以得出64個有效碼組合來用于傳輸數據，借鑒8B/10B編碼規則，選用的有效碼組盡量做到連續“0”或“1”的個數不達到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”的有效碼組的數據。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的速率和準確度無較大影響。采用6B/10B編碼方式與傳統的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有效數據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

    根據已知要求搭建硬件平臺，此平臺完成收據的收發功能，并且能夠對數據進行處理，傳輸模型如圖2所示。系統中主控芯片采用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發送端發送復位命令，在發送復位命令的同時自身復位，準備接收數據。繼續發送字同步、移位脈沖，根據幀格式在每個移位脈沖的下降沿發送數據^[8]。因為采用6B/10B編碼時有效帶寬為4 bit，所以每個字節的有效數據需要傳輸兩次，第一次傳輸數據的低4 bit，第二次傳輸數據的高4 bit。接收端接收到復位命令后復位，然后根據字同步信號進行同步處理，最后根據移位脈沖信號判斷，在移位脈沖的上升沿接收數據并計算校正子，對數據進行校驗，按照編碼格式進行解碼。當傳輸數據有一位數據出錯時可以自動糾錯，保證數據正確接收。發送接收流程如圖3所示。

5 數據驗證

    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測試系統。設計RS422收發板卡并且與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數據的實時存儲和分析。發送端以10 Mb/s向接收端發送遞增數，遞增數的內容為00H~FFH，并且增加幀計數用來判斷是否丟包和增加幀標志易于一幀數據的判斷。接收端接收數據并對數據進行分析和處理，在接收1 GB的數據容量內無誤碼。圖4為測試結果部分截圖。重復以上過程，在100次試驗數據中，數據完整無誤碼，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傳輸的編碼方式，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，編碼數量少并且編碼表唯一，在一定程度上達到了數據的直流平衡，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，使數據可靠傳輸；數據從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據信息，從而提高了數據的傳輸速率。經過大量實驗驗證，該編碼方法簡單可靠，能夠使數據在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誤碼，在工程中提高了RS422接口數據的吞吐率，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。

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作者信息:

任勇峰，王小兵，張凱華

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）