总线传输----信号传输线分析

总线传输----信号传输线分析

任何一总线最大传输成功率决定于【传输线上】，因此唯有绝对了解讯号在传输线上的状况，方能使总线技术提升。

一条传输线可以将他看成电感、电容及电阻的结合体。低频时，线号之直接衰减是受线材内组的影响;而高频时则是受线上电容及电感的影响。但不幸的是传输线为电感电容串并联的结果，因此可以肯定的是其波形必受影响。 因此在高频上，传输线的内阻已经不再是最主要的问题啰 !

至于低频时的解决方案如下 :

1. 对于线材之使用，我们建议使用实心线(集肤效应)：
例如最便宜的网络线，因为实心线表面传输特性平均，不易造成阻尼震荡。

2. 对于传输波形的频宽尽量小些：
所谓频宽小的意思是指讯号之频率变化不要太大，如利用曼彻斯特编码技巧来将频宽缩小 ( 频宽跟频率概念不同 ) 。

注：Manchester encoding (曼彻斯特编码)：利用前后两信号之间的差异来决定编码方式的一种技术，可以做到自我同步的功能

3. 传输线上各节点的等效电阻尽量让其相同：
这点最容易解决，方法是于二线中间点施以适当之终端电阻，典型的阻值为 75 、 100 、 560 、 680 、 2、2k Ω。除了 75Ω外，其它值皆是依经验得来，至于会用到560及680Ω 乃是因为没有600Ω的电阻， 600Ω我们称之为自然电阻，而终端建议的首选是 560 – 680 。

4. 端点输入电阻尽量高：
端点电阻高则其依附终端电阻特性就强，平均的终端电阻也正是我们想要的， 因此端点电阻高些较好，我们的经验值是10KΩ左右。如您的设备不是此值，建议在端点处对地外接个10K电阻。

5. 不要的线尽量裁去：
如果多余又无法裁掉的线，我们建议将他打成环型圈。注意一下，有一经验概念值可以遵循，就是将圈数绕成传输频率波长的偶数倍， 这也许很难算，但换个角度看。就是大概以15cm 为直径。(以偶数圈为基准。)

6. 末端空线应在最后一端点串接102电容分离：
如日后需要再短路，接上电容是保留线有些许电荷。使导线布置吸收湿气而使铜分子分离生锈。

7.不方便使用焊锡的话，可将约 1cm 左右的长度绞在一起并做防水， 胶带建议买 3M。

树状总线配线技术

总线配线上有三种配置发法， 有各有其优缺点，其配线之方式如下:

1. 直线配线 ---已一条主线为准，所有端点均依序配接在主线上。

2. 星状配线 ---已某一主控点为基准，散射总线方式配接。

3. 树状配线 --- 主线呈树支状态分配线。

上面三种配线 第一种直线配线环境较单纯，但环境要求也特高， 几乎只有实验室与工厂生产线才能如此，第二种星状配线严格来说就像是点点般的配线，环境也特单纯，但也与实际有些差距。 第三种大概占实际配线的九成，这种配线完全符合自然规则但也最头痛，因为问题因素最大。

以下我们便以此为研究。

在五栋、每栋二十户的集合式住宅社区，我们如要将各户防盗与呼唤安全装置联机，我们研究研究其走线
。

1. 守卫是需有一主线分别从第一栋连至第五栋。

2. 如果守卫是在社区大门，那势必从守卫室将分两路主线，二路主线分别连接二栋与三栋集合大楼。这种大概方式大概有七成以上，因为绝大部分社区大门进去都分左右栋。

3. 每栋均有一条主线， 分别串接至每层楼，如果每层楼为二户则每层楼又要分二个端点。

如上我们完成跑线，则接下来要预先分析总线上预期状况，而分析如下 :

1. 守卫至各栋端点距离约为每栋 120M (需计算转折跑线 ) 也就是最长为 240M 跟 360M ，因为只有接收位跟住户互通，并没有住户跟住户互通，所以如此来看守卫大约在1/2端点处。因此守卫端点应加一自然电阻 560 欧母 (请参阅前面发表文章 )

2. 每栋大楼点上去为二十户，其配线法是接近 直线配线 ， 前面所说的直线配线环境较单纯，因为回授波会大量反射再与主线接接触，因此必须在与主线端点上终端电阻 2K Ω。

3. 假设五别是 A、B、C、D、E。A栋最末的端点信号也会在E栋最末端点上出现，设每层楼高2.6M 。因为转折，所以每层楼我们估线长为3.2M。 所以其最长的线长达 [ 3。2 * ( 20 / 2 ) ] + 240 + 360 + [ 3。2 * ( 20 / 2 )] = 664 米 。

4. 端点总负载为 10K / [( 5 * 20 ) + 1] (1 为守卫室 )约100 欧

5. 如果以我们公司经验值，每端点为 10K 那环路等效电阻 ( 先不算 终端电阻 ) 为 100 欧。在将所有终端电阻算进去则实际总线电阻值为 ( 2K/ 5) // 560 // 100 总值为 70 欧母。 这 70 欧母非常接近无线自然组抗啰 ! ( 无线组抗既为 75
欧母 )。

从上面的种种分析，如果你希望你的配线不要有太多问题;而且速率跑得快请努力遵循下面原则:

1. 主线上 1/2 终端电阻值为 560 – 680 。

2. 树状支线端点终端为 1.2K – 3.9K。

3。 总线电阻组抗是当调在 75 欧左右 (调整既调整上面值 )

再经过约五年的磨练，我们磨练出这个经验法则，目前这配线经验计算法我们已经使用了约五年，预期没让我们失望。

注 : 线材使用四心如网络线内部实心铜线的线材
传输线功率能传递研究[page]

传输线是总线之母，任何总线技术没在传输线上获得特性共识，那任何传输速率都是零。 这句话就好比说你有辆很好的双B跑车，但如果您开在不好的传输道路上，那速度可能不及一台脚踏车

传输如是属于点对点一条线的连结，那问题比较少．但如是在总线传输方式下，这功率能的传递就不得不考虑。而下面的分析我们用较实际的经验来看，过多繁琐的数学分析我们就不着墨。

一个端点再发送信号时期，功率能就开始传递，但理想是传输功率能的消耗等于传输线上总端点的消耗能，这就是驻波比等于一。【驻波比 ( VSWR ) ：驻波最高电压与最低电压的比值。】

但理想归理想，实际上受于现实，这驻波比根本不可能能于一。因此多余的功只能靠辐射出去或是藉由导线反复的来回散掉，辐射的话，我们会干扰到别的设备。但在线上乱钻的回射功却会造成传输失败或降低有效传输速度。所以在端点下的 功夫 可以说是总线最重要课题。

要解决传输线功率能问题，最快的方式就是利用电阻跟电容。电阻是为了消耗功;电容则是为了抵消更高的谐波。但根据经验，电容大多用于一些较特定的问题上，比如容易与某传输中频率共震的解决。但电阻却像是中药一样;始能强化传输线某一特性并彻底从本质改善的良药!

我们举个实例来分析，其状况如下:

1. 传输线长度 300 米。
2. 导线电阻每百米 30 欧。
3. 端点 30 只 。
4. 端点组抗 10K欧。
5. 端点发送信号 12V 100ma。
6. 端点最低输入电压 2.4V。

我们从上面来分析一下 :

1. 端点发射功率为 1.2W。
2. 每端点负载吸收功 0.0144W。
3. 总端点消耗功 0.0144 * 30 = 0.432 W。
4. 端点最低反应功 2. / 10K = 0.576 mW
5. 导线最大电阻 30 * ( 300/100 ) = 90 欧
6. 端点总电阻 10K / 30 = 333 欧
7. 端点吸收功与总线电阻吸收功比 ( 333 : 90 )= 3.7 : 1
8. 总线吸收功为 0.432 / 3.7 = 0.11675W

上面资料我们了解我们又可导出下列值

1. 端点发射功大于总线吸收功 1.2W > ( 0.432W 0.11675 )

2. 线上反射功为 1.2W – 0.432W –0.11675W = 0.65125

从上粗略计算，我们可以知道要让导线速度快且稳定的方法，是如何把多余的
0.65125W 给消耗掉 ! 那首选当然是电阻啦 !

最后我们必须在说明上面，计算只能算是粗略估计，真正导线分析非常复杂，我们把他简化是因为根据经验法则得来。但记住一件事，尽量使总线终端总电阻在 75 欧倍数，这样你便可以放心布线 ………………… 祝你布线成功 +++++

总线上的施工问题症结

总线在布线上难免有些瑕疵，这些瑕疵将从此牵绊总线的传输品质，进而导致总线数据传输的成败， 因此对总线工程冲突 (厂商/工程人员/配线人员 的摩擦)症结而言，我们会发现下面症结点:

1.与厂商的沟通过于急躁，未针对真正目的与方法沟通清楚。 ( 比如 走线方法、讯号传输率 等等 )：

常发现业务人员急于抢案而给自己留了遗憾，而注定让自己与客户和公司或工程人员留下摩擦因果。

2.工程人员过于自信未依现场环境评估，过于表现自己而滥开特性：

我们最常见的就是工程人员不够务实不愿接受批判，更糟的是不愿上进多吸收先进知识与技巧，常常看到人家开的规格就上报，当然还有的工程人员为标榜自己而虚报的也有， 比如CAN bus 最大可传 1Mbit 可是他没再细看 1Mbit条件在哪 ?
现场如果干扰源大，他还能如此表现吗 ?因此工程人员的经验是非常重要的， 传输速率不是盲目的，应该是了解客户需求总线负载率才是关键。

3.配线人员的素质是总线成败最大的关键：

我常常看到一些配线人员总是差临们一脚，他的一不注意将毁掉一个案子，比如他于施工时没在拉线时摸出 线节 (制线工厂的原料是用铜丝绞结做线，当某些疏失会造成绞线断裂，这在拉线时可摸出 )。当线已配置完毕也钉好才发现，在不可能换线下，这个点将是总线品质问题，还有放线未依据左三圈右三圈的放线方式，导致放出去的线打结扯伤等等，因此配线人员的素质是总线成败最大的关键。[page]

总线传输率的选择

任何总线传输的 关键在物理层，而物理层的完美在总线传输率的选定。
我们常常看到一些总线规范，标示其最大传输率有多大而容易造成我们误解，其实那亦需是在一定环境的， 举例说 RS-232 其在PC能表现的最大传输率是 115200 ，那当我们真正布线出去能如此表现吗 ? 答案是不能的，因为总线长度跟速率大有直接关系。又举例，常用的RS-485 也真正能飙速到 10Mbit 吗 ? 那 CANbus 能到 1Mbit
吗 ? 其实这些高速都是指点对点且线长在一米以内，那一米以内的总线又能做什用 ? 只不过能在实验室测试吧!

我们接下来分析总线跟频率的关系 :

1.一条传输线是结合电感跟电容的串并组合，我们学过基本电学;我们了解依各容抗跟感抗组合的负载将产生谐震。并联谐震会将我们灌入的信号加倍放大;而串联谐震却会将信号消耗殆尽，因此选定频率将是完美总线的第一问题。

2.我们的传输信号是方波，根据负立叶(工程数学)分析，我们知道方波是很多不同频率组合的波形，其最大成分都是奇谐波， 依此奇谐波也是反射波最大来源，
奇谐波在总线上所造成既是我们俗称 ”鬼影”。这是一各相同信号但却又延迟来的信号，他容易造成接收端的误判。

3.因为传输线是结合电感跟电容的串并组合，因此当我们灌入的方波也会因为谐震变形，其实说是变形不如说是总线只将符合他的频率让其通过。因此他将会使波形钝化成正Sin波，当方波钝化成Sin波的时候，其0度角将比原信号落后约 10 度，
且零点有可能因为线上充满电荷而有残留直流，导致整个信号被直流拖起而丧失交界点。这问题最容易发生在高速传输率身上，如果我们采用正负波形方式将可避免，
但正负波要做总线仲裁就会有些困难。

4.如上，因为传输线是结合电感跟电容的串并组合，因此还有一头痛问题;那就是波形因为电荷充电波形象负趋近，造成有负压现象， 这也是总线常造成的问题，
轻的阻挡传输重者将烧掉端点， 这种状况也常见。

5.现场他源干扰， 这问题也是不可避免的，当然选用隔离网线可避免，但线材成本又叫您吃不消。因此常常会用赌的方式施工， 一但赌对都没问题，但麻烦的是常常会赌错，因此如何避开跟如何共存将是决定这场总线的成功与否。针对这问题我们只能抱歉的说，工程人员务必亲自现场指导走线，避开高压线 避开射出成型机 避开马达 ……等。

上述分析五种状况后，接下来我们要如何选择传输率 ?传输率到底要多少我们必须认真去分析。

对于传输率的算法，这我们态度是比较保守的，我们常常已达成满载率去推算，
毕竟在低造价下，不可能用无限的硬件成本换取速率。那什幺叫达成满载率 ?就是计算所有端点预收发时间与冲突排成，端点的冲突因为透过总线冲突排成几乎没在浪费什幺时间;如此我们就很简单的可以计算出到底线最低要多少速率 ?

举例而言如果每端点发送率平均只有每秒传输16 Byte，端点总共有50点， 那我们可得知最低底限频率为 16 *8 *50 = 6400 。当然，我们要考虑误差 ( 含起始及净空)，因此 我们捉 7000 Bit/Sec 既可， 当然或许会问我们怎没计算反应度 ?反应度这名词很抽象 !因为在上层的软件要设计成在总线联机，那便不可能设计出立既反应，
除非你用端点对端点 !否则我们必须了解依各端点送出至反应其需多大 ?

这点我们公司曾经好几次的研究跟讨论，最后我们决定用人类神经最大反应每秒 16
次反映为基准， 如果在这套上上面数值即为 7K * 16 =114 K Bit/Sec 。 但真正需要这幺大吗 ? 我们应该认真思考真正每个端点都是每秒传一次吗 ?其实我们刚算的那是最大值， 也就是说 7K – 114K (Bit/Sec) 是我们传输率的自然范围， 那要选多少 ?
我们建议选最低 ……… 7K Bit/Sec。

由上面分析，我们大概能对总线速率来定夺传输线上的速率，但我们要知道这频率符不符和线上使用
根据经验我们有下列数遽 :

1.直线配线 ------ 90 K Max Bit/Sec

2.星状配线 ------ 140 K Max Bit/Sec

3.树状配线 ------ 20 K Max Bit/Sec

上述条件是 a. 。线材是采用网络 UTP 线材

b. 传送方式 曼彻斯特 方式

c. 对等有效终端 75 欧母

上述技术规划我们使用达五年， 暂时还没失望过，愿跟大家分享 ………。。

备注 :
使用总线为控制方向并非做资料储存传递，如果您设计是做大资料的传递，我们建议您使用 最廉价网络 ，这点是您使用总线的最先认识 。