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一、信號的平衡傳輸
模擬信號在傳輸過程中，如果被直接發送就是普通信號傳輸;如果在發送端把信號反相，然后同時傳送反相的信號和原始信號，原始信號和反相信號相對于參考點是對稱平衡的,即差分信號傳輸;為形象方便的敘述,我們把差分相關的名詞改用平衡。在接收端平衡信號送入差動放大器，原信號和反相位信號相減，得到加強的原始信號，由于在傳送中，兩條線路在任一干擾進入點受到的干擾非常接近，在相減的過程中，減掉了一樣的干擾信號，因此抗干擾很強。這種在平衡式信號線中抑制兩極導線中所共同有的噪聲的現象便稱為共模抑制。所以平衡線路只需要在輸入輸出信號增加一級平衡信號轉換電路(如差分放大器)就可以實現。
二、平衡傳輸與普通傳輸的性能對比
平衡傳輸的使用由來已久，在很多工業控制系統中和干擾較大的場所以及遠距離傳輸中都使用了平衡傳輸，平衡傳輸之所以使用如此廣泛，是因為它具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線容易、線材價格低廉等許多優點。
(一)傳輸距離遠、傳輸質量高。
由于在平衡傳輸收發器中普遍采用了先進的處理技術，每一個收發器均采用末級激勵和前級防抖極好地補償了平衡傳輸線路對信號幅度的衰減以及不同頻率間的衰減誤差。
(二)布線方便、線纜利用率高。
以視頻傳輸為例，一根非屏蔽平衡傳輸雙絞線既可以傳輸高清圖像信號，還可以傳輸高保真立體音頻信號。另外，樓宇大廈內廣泛鋪設有5類非屏蔽平衡傳輸線，隨便取其一根就可以傳輸一路信號，無須另外布線，即使是重新布線，5類線纜也比光纖、同軸線纜容易，大大簡化了工程布線難度，提高了線纜利用率，同時避免了各種信號單獨布線帶來的麻煩，減少了工程造價。
(三)抗干擾能力強。
平衡傳輸線能有效抑制共模干擾，在傳輸線上的任一點其耦合進來的干擾幾乎相等，當干擾信號到達接收點后，被接收器處理后完全不干擾接收器解碼，即使在強干擾環境下，平衡傳輸也能傳送極好的信號，而且多組平衡傳輸線平行時相互之間不會發生干擾。
(四)傳輸線材價格便宜，取材方便。
由于使用的是目前廣泛使用的普通5類、超5類、6類非屏蔽平衡傳輸，各地都購買容易，而且價格也很便宜，給工程應用帶來極大的方便。
(五)相對于普通傳輸而言，電路稍微復雜。
每一個收發點均需要專門的收發器來完成平衡調制與平衡解調。使用平衡傳輸方式連接起來的公共通信干線，在這里我們忽略它是傳輸數字信號還是模擬信號，是點對點還是點對多我們可以稱為平衡總線。
三、平衡總線技術在火災報警系統中的應用初探
火災報警系統中的總線一直受制于環境、布線水平等非可控因素影響，在運行過程中極易產生各種意想不到的干擾。如：自然空間雷擊引起的直接干擾和感應雷擊干擾、強電線路中的大功率設備的啟停干擾、總線與其他線路的耦合干擾等。經過行業的實際經驗及各種相關實驗分析，我們知道這些干擾以共模信號為最多最強，影響系統的穩定運行。平衡傳輸方式具備以上諸多優點，尤其是在抗共模干擾方面尤其突出，因此我們借鑒平衡傳輸原理對總線進行設計嘗試，在設計過程中遇到諸多行業特點制約的問題，現進行探討如下：
(一)控制器對前端的信號發送
傳統的總線的控制器對前端發送的信號是普通的，即一根信號線，一根地線.實現平衡傳輸時把普通信號轉換為平衡信號如圖1所示：
IN端輸入的是常規的發送調制信號，經過普通/平衡轉換電路后，轉換成BUS+、BUS-，BUS+的信號與輸入信號一致，BUS-是倒相的輸入信號。經過轉換后在兩條傳輸線中傳輸的不兩個大小相等方向相反的對稱平衡信號。這里的“+”表示同相位，“-”表示反相位。
在轉換電路中要注意的問題是：由于導線都存在電感，尤其是線路較長時，在信號發送時候非常容易產生振鈴。為消除振鈴必須適當控制好調制信號的上沿和下沿時間，具體的時間根據每個控制器的通信速率確定。
(二)前端接收信號處理
前端接收信號的整體示意圖如圖2，它簡述了信號處理前后的情況。
BUS+和BUS-的信號通過信號與電源轉換單元后，轉換出兩部分信號。第一部分通過整流濾波穩壓后產生前端電路需要的電源。圖3所示為組合信號通過電源電路給Cp單向充電，充電時間很快，其兩端電壓很快達到信號高電平值，LDO負責給MCU等電路提供穩定的直流電源電壓。這時K1、K2(K1、K2為等效開關，方便說明引出)接通到電源部分電路。
第二部分通過信號轉換電路把BUS+、BUS-兩條線作為輸入信號線，并把它還原成為與發送端相同的的編碼信號，提供給前端進行解碼。圖4所示為信號通過信號電路把信號還原成data信號供解碼電路處理，而這時候的供電是由Cp的儲能提供的。K1、K2接入信號電路。
實驗過程中遇到的問題及解決方法如下：
1、信號電壓較高不能直接輸入差分放大比較器，這時我們使用最簡單的方法通過電阻分壓把BUS+、BUS-上的信號先經過按比例降壓，然后把信號送入差分放大器，經過雙端輸入單端輸出差分放大電路電路，取出MCU需要的解碼信號。
2、電源線與信號線是共用的，不知道什么時候是電源供給，什么時候是信號。經過分析試驗發現解決這個問題可以通過控制時間來分離出電源和信號。在高信號寬度的3/4時間內作為電源供給使用，這時候兩條線作為供電線使用，給前端進行充電。剩下的1/4時間作為解碼輸入線使用，電源線部分斷開，兩條線只能作為輸入線使用，實現這種功能需要在信號轉換電路中使用雙沿檢測電路，檢測到提供給MCU控制。
(三)前端返回數據的處理
火災報警系統中的前端不僅要接收信號，同時還要返回自身的狀態及事件信號，為保證信號的雙向平衡性，需要在回傳時也采用平衡傳輸方式。處理方式分兩部分。
1、控制器部分
控制器每發完一個地址的相關控制碼后就進入接收反饋狀態，這時候關閉發送電路，回路上的匹配電阻接入總線，控制器的平衡接收電路接入總線等待前端的數據返回。
2、前端部分
當每個前端解碼到是操作自己地址的時候，準備回碼，把總線接入回碼發送器;不是本地址的不回，把BUS+,BUS-接入到電源端。由于控制器已經停止發送信號，電源Cp上的電壓大于總線上的電壓，單向電路反偏，非巡檢地址不會消耗總線上的回傳信號。在這個時候實際上只有匹配電阻，控制器接收電路，前端信號發送器接到一起。前端準備完成后，立刻通過前端信號發送器回傳狀態信息或者事件信息，它同樣發送的是平衡數字信號，如圖5所示。
在圖5中前端發送器負責向控制器返回數據，回傳電平選用+/-5V的電壓反饋，控制器接收電路采用差分電路取出反饋電壓。斯密特比較器還原數字信號。在控制器接收狀態時，在前端信號發送器或控制器接收電路中含有匹配電阻(圖略)，一方面它保證信號電平的可控性，使在控制器端不會出現不定電平;另一方面起到匹配和吸收干擾作用。
(四)總線保護措施
為保證系統穩定運作，需要在總線控制器端和前端加入防雷擊和防止高頻干擾的相關器件。
(五)與傳統現場總線的比較
通過實踐與傳統的總線比較主要有以下幾個方面的異同：
1、抗干擾能力顯著提高
傳統的總線系統中，回碼采用電流反饋型，每個前端的反饋20～40ms的電流，當信號到達控制器時控制器通過采樣電阻解讀出來的信號大約為1V～2V左右(廠家不同而不同)，干擾信號耦合進入時，在地線上的干擾通過地線釋放，但在信號線上的干擾就通過前端和取樣電路回到大地，經過采樣電路時勢必形成干擾。平衡總線中采用的是電壓反饋型，在回碼的時候引入匹配電阻對干擾進行吸收的同時，控制器接收電路中的共模抑制特性把大小相等方向相同的干擾減去后，剩下的便是干凈的信號。這在總線環境特別惡劣的情況下，尤其表現優越。多組總線并行和繞行實驗時。把幾組總線緊密纏繞在一起然后分別接在傳統總線控制器和平衡總線控制器上，通過示波器采樣對比采樣解碼后的波形，平衡總線幾乎不受干擾，普通總線在回碼時受到其他回路發碼干擾，解碼不正常。
2、傳輸距離加長
通過實驗得出在同等線材，同等負載，同等事件類型情況下，平衡總線比普通總線傳輸距離可提高30%，通過計算及數據實驗分析如果在前端進行功耗改良設計，平衡總線的傳輸距離可以提高70%。
3、回路之間隔離度高，無共地串擾
在傳統普通總線運用中，小點數系統一般不會出現什么問題，在大點數系統就會出現回路與回路間的共地串擾問題。例如：①、某一個回路接線方式或者絕緣不是很好，它會導致整個系統運行不太穩定，要查出原因要花很長時間，一個一個的去查，對于施工調試來說是一個很大的浪費;②、當某一個回路受到雷擊或者感應雷擊時，它不只是本回路發生干擾或者防雷元件損壞，還會通過共模接地的寄生耦合產生對其它回路的干擾或損壞。
在平衡總線中由于采用的交流份量傳輸，可以方便的通過變壓器隔離，使回路與回路之間彼此隔離，回路與回路之間不在一個地線系統中，當某回路遇到強烈干擾時，干擾都只局限于本回路，對其它回路毫無影響。即使平行走線對另一回路產生耦合干擾，也可以被另一回路的固有抗干擾特性輕松的過濾掉。在最壞的情況下(如遭遇異常強烈的直擊雷或強電輸入)把本回路的保護元件損壞了，也不會損壞到其它回路，使損失達到最小化。
4、現場布線要求低，工作環境要求低，維護經濟方便
普通總線中，如果信號線對地出現破皮，外層老化，潮濕環境(如地下設施，在雨季時經常出現雨水通過墻壁流下、導致通信線間接浸泡。)施工不慎等。導致信號線對地絕緣降低或者短路時，那么這個回路將無法正常運行。這時維護變得異常復雜，必須再次投入大量的人力物力。
平衡總線由于可采用變壓器方便隔離，使回路與其它回路、回路與主機不在一個共地系統中，因此布線幾乎沒有什么特別的要求，做到兩條信號間不短路即可。不再去關心對地有多少的絕緣電阻，不再關心是否要用超好的線管對線路進行保護，可輕松布線，成本低廉。當發生導線對地絕緣不良、回路的前端同樣可以通過本回路的兩條信號線取電，通信。對本回路和其它回路毫無影響。使維護變得輕松，不再拿著儀器到各處去測量。
5、開發成本略高
由于平衡總線比普通總線需要添加相應的硬件及軟件支持，在成本上會比普通總線開發成本偏高40%左右。
6、系統穩定性高、性價比高
平衡總線雖然在開發成本上有所提高，但可以解決普通總線的固有缺陷。隨著社會的高速發展，火災報警系統的使用環境越來越惡劣，許多不可控因素隨時可能發生;人工成本也越漲越高。誰也不能保證安裝上去的系統，在若干年的運行過程中不會出現維護成本問題。考慮到系統運行穩定性、施工、干擾損壞、維護等成本因素，平衡總線將更具優勢、更有前瞻性和更高的性價比。
參考文獻
1、鄭君里、楊為里，應啟珩，信號與系統，高等教育出版社，2000(5)。
來源：天安網 |
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