- RS-485的應(yīng)用原則
- 實(shí)例應(yīng)用故障分析
- 采用單一連續(xù)的信號(hào)通道作為總線
- 數(shù)據(jù)傳輸波特率降低到1200以下
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)日益廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)往往由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，需要解決多站、遠(yuǎn)距離通信的問(wèn)題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對(duì)雙絞線就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。
在某公寓樓的水表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)中，采用了RS-485總線進(jìn)行水表抄讀數(shù)據(jù)的傳輸，共208只水表掛在總線上。下面是選定RS-485總線的根據(jù)和在應(yīng)用調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法。
RS-485的應(yīng)用原則
RS-485支持半雙工或全雙工模式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)，最好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。
標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線負(fù)載為32個(gè)單位負(fù)載(UL)，可通過(guò)增大收發(fā)器輸入電阻來(lái)擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)。例如輸入電阻增加至48kΩ以上(1/4UL)，節(jié)點(diǎn)數(shù)就可增加至128個(gè)，SP485R的輸入電阻為150kΩ，節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可增加至400個(gè)。在本系統(tǒng)中有208只水表，所以采用了SP485R。
是否對(duì)RS-485總線進(jìn)行終端匹配取決于數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。UART是在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的，只要反射信號(hào)在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低，就可以不考慮匹配。當(dāng)考慮終端匹配時(shí)，有多種匹配方案可以選擇，最簡(jiǎn)單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻，比較省電的匹配方案是RC匹配，采用二極管的匹配方案節(jié)能效果顯著。
經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間上升或下降時(shí)間超過(guò)電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口器件SP483輸出信號(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns(24AWGPVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)，電纜長(zhǎng)度不超過(guò)16米，采用SP483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。
RS-485總線上的每個(gè)收發(fā)器通過(guò)一段引出線接入總線。引出線過(guò)長(zhǎng)時(shí)由于信號(hào)在引出線中的反射也會(huì)影響總線上的信號(hào)質(zhì)量，系統(tǒng)所能允許的引出線長(zhǎng)度也和信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)，下面的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)估算引出線的最大長(zhǎng)度。
Lmax=(tRISE•0.2m/ns)/10
以SP483為例，對(duì)應(yīng)于250ns的上升/下降時(shí)間，總線允許的最大引出線長(zhǎng)度約為5米。
減緩信號(hào)的前后沿斜率有利于降低對(duì)于總線匹配引出線長(zhǎng)度的要求和改善信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)還可使信號(hào)中的高頻成分降低，減少電磁輻射。因此有些接口器件中增加了擺率限制電路來(lái)減緩信號(hào)前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，由此看來(lái)在選擇接口器件時(shí)并不是速率越高越好，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求選擇最低速率的器件。
僅僅用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來(lái)，而不對(duì)RS-485通信鏈路的信號(hào)接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)并不需要對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)系統(tǒng)，只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但應(yīng)該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。當(dāng)共模電壓超出此范圍，就會(huì)影響通信的可靠直至損壞接口。
如圖1所示，當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3V，但VGPD可能會(huì)有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。
[page]在系統(tǒng)的調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)樓層低和距離采集器比較近的水表讀數(shù)能很順利地抄讀傳輸上來(lái)，而其他水表則有很多抄讀不到。經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察和分析，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：
(1)網(wǎng)絡(luò)布局不合理。這時(shí)的結(jié)構(gòu)近似樹(shù)形，但RS-485總線不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于總線的不同區(qū)段采用了不同電纜，某一段總線上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝，或者是有過(guò)長(zhǎng)的分支線引出總線，都會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)。所以應(yīng)該提供一條單一連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。根據(jù)這一原則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大的整改，采用單一總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，同時(shí)進(jìn)行接地處理，如圖2所示。再次集抄的結(jié)果比先前要好，但還是有部分水表抄讀不到或數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，未達(dá)到預(yù)期效果。表1是整改前后水表抄讀的情況。
表1整改前后情況比較
(2)波特率過(guò)高，致使傳輸距離受限。當(dāng)前的波特率14400是為了減小傳輸時(shí)間而設(shè)置的。但是由于傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗引起信號(hào)畸變，從而通信距離受到限制。又由于損耗與頻率有關(guān)，故隨著數(shù)據(jù)率的增加通信距離減小。表2是通過(guò)實(shí)地測(cè)試得到的數(shù)據(jù)。
