摘要；装卸料机模拟机是在换料间隔期间用于换料操作培训和进行装卸料机控制系统测试的模拟设备。在研制过程中，遇到PLC的SSI硬件接口与I/O模块之间信号无法匹配难题。通过对问题进行分析和总结，发现已有的标准产品无法满足需要。从实际需求出发，自主设计了接口转换模块，成功的解决了硬件接口问题。
关键词：同步串行接口；TTL电平；差分传输
Hardware Design for SSI interface of refueling machine simulator
Zhang Jiabin Wang Jin Yang Feng
（China Nuclear Control System Engineering Co.,Ltd, Engineering and Service Center Beijing 100176 China）
Abstract: Refueling machine simulator is used for implementing refueling machine operator training and control system test functions during interval of outage. In the process of development, the PLC interface of SSI cannot match the I/O modular. Analysis and summary of the problem, found that the existing standard products cannot meet the demand. We design conversion module solve problems of communication.
Key words: Synchronous Serial Interface(SSI）; Transistor-transistor logic; Differential transmission
1.前言
装卸料机是压水堆核电厂换料时的关键设备，也是换料设备中要求最高，操作最复杂的设备，它的可靠运行，将直接影响到核电厂的经济效益。在换料前进行换料培训和设备测试显得越来越重要。国外早期的方案属于全实物模拟,是在模拟机中采用1：1的电机和编码器等设备。缺点是系统的通用性不理想，无法胜任多种工况的仿真。
为解决上述问题，自主研发半实物仿真系统模拟机，使用虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写VI）建立的仿真系统来完成硬件在环的模拟。Compact RIO的I/O模块信号为单端TTL(5V)，与装卸料机的IM174模块的SSI接口不匹配，无法模拟仿真装卸料机编码器的SSI接口。通过分析SSI接口特性，开发了转换模块来完成接口之间的电平转换。
2.SSI接口特性
SSI（Synchronous Serial Interface 同步串行接口），综合概括起来主要有两个方面的特点：
1)电气接口方面，采用标准的RS-422接口。接收设备向编码器发送连续的时钟脉冲，绝对位置的数码与时钟脉冲同步输出至接收设备，如图2所示[1]；
图3 同步串行接口时序图
首先由接收设备发出的时钟信号触发，编码器从最高有效位(MSB)开始输出与时钟信号同步的DATA差分信号。
根据以上绝对值编码器的同步串行接口工作原理，在装卸料机模拟机开机上电后，通过检测控制台发出的时钟信号的时序，同步发送编码器DATA信号给装卸料机。
3.接口产品选型与问题
市场上此类产品较少，先后测试了两款标准产品，分别是上海蓝瑟的MHM系列和波仕卡H485C，参见图4。
图4 信号转换模块
使用上海蓝瑟的MHM系列时，由于MHM系列模块与I/O模块的TTL电平通过导线接入，有明显的电磁干扰信号耦合到正常信号中。频繁导致触发PLC故障报警，导致无法正常使用设备。
同时，该模块电源部分采用LM7805线性整流电源芯片，电压从24V转换为5V，损耗在芯片上的功率很高，导致转换模块烧毁。
波仕卡H485C转换速率最大150K，在信号时钟频率达到100K Hz时，信号出现严重失真，导致IM174无法识别输入信号，不能满足模拟机的使用要求，安装方式也不适合在模拟机中固定。
4.解决方案与接口实现
分析和总结出现的问题，确定需求，自主设计转换模块。方案采用高性能的工业级集成电路芯片，针对性的彻底解决之前发生的所有问题。
转换模块与NI模块通过标准D-Sub型连接器直接对接，消除了外部电磁干扰耦合的途径。外壳采用用铝制型材，具备良好的屏蔽性，进一步增加了它的抗EMC和EMI性能。整体方案如图6。
图6 差分转TTL模块示意图
电路设计图详见图7，共有4组通道，每个通道的芯片可独立完成一个编码器的时钟和数据信号的转换。电路主要分为三个部分：供电，差分信号转换和接口部分。
图7 电路原理图
(1)供电
电源部分设计，直流24V到5V的转换，选择了开关型DC-DC转换芯片，效率高（≥90%），保证在高温环境下的供电的稳定性和可靠性。在电源接口部分还设计了电源防反接电路，保证在极性接反的情况下不会损坏转换模块。
(2)差分信号转换
该部分电路为核心部分，负责差分信号与单端信号之间转换，将NI9401的TTL数字输入/输出转换为符合RS485/RS422标准的差分信号。芯片采用MAXIM（美信半导体）的MAX490E，该芯片差分接口具备±15KV抗ESD能力，能够适应恶劣的工业环境。该芯片具备收发全双工接口，2.5 MHz速率，完全能够满足模拟机实时信号的转换收发。并通过发光二极管的明暗变化来指示信号的发送。
(3)接口
与NI接口部分使用D-SUB 25的标准接口，直接将转换模块与NI模块对接，保证TTL信号传输距离最短和可靠的屏蔽。外部接线使用了工业标准的板上焊接的，可直接将外部进线电缆接入端子。
通过电路的优化设计，转换模块首次试验就通过了工厂测试，得到了非常理想的仿真信号，参见图9。
图9 编码器仿真信号
5.结论
由于模拟机特殊性，在没有任何可参考设计的前提下，开发过程中遇到很多问题，SSI接口硬件实现是其中之一。通过试验，收集发现的问题，总结经验。采用当前成熟的技术，定制开发满足设备功能需求的模块，很好的解决了SSI接口的仿真要求，确保了整个模拟机能顺利完成，并成功应用于多个核电站中。
参考文献：
[1] What is Serial Synchronous Interface (SSI)? NI 2009
[2] 张凯等. 基于SSI协议的高速运动参数测量接口设计．天津：自动化与仪表，2012
[3] MAX1487E-MAX491E ±15kV ESD-Protected, Slew-Rate-Limited, Low-Power, RS-485/RS-422 Transceivers Rev 4,Maxim intrgratedTM; 2010
论文作者:张嘉斌,王晋,杨峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
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