單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究

概 述

單片機(jī)在當(dāng)今的儀表及工業(yè)測控設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛。其功能強(qiáng)大、外圍接口電路簡單，在構(gòu)成分布式系統(tǒng)時，其優(yōu)越性更顯突出。在分布式系統(tǒng)中，分機(jī)常采用多機(jī)通信方式，由于RS-485（以下簡稱485）通信接口的傳輸距離遠(yuǎn)，連線少，所以被認(rèn)為是一種很好的通信模式。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，若使用不當(dāng)，485接口會出現(xiàn)很多問題：首先是器件經(jīng)常損壞，有時對電源進(jìn)行幾次連續(xù)的開關(guān)機(jī)操作之后，通信電路就會失控；再有，在通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，而且誤碼率很高。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，有兩次記錄可以證明這一點(diǎn)，記錄如表1所列。

表1 調(diào)試記錄

一、 硬件分析

首先分析通信電路失控的原因。系統(tǒng)在上電復(fù)位階段，所有485芯片都處于輸出狀態(tài)，而且只有其中某一臺分機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)。以這臺分機(jī)輸出口的狀態(tài)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。A、B為485接口的兩只引腳，圖1(圖1a)中的A1~An為高電平，B1~Bn為低電平；而A 為低電平，B為高電平，其中一個分支的等效電路如圖1（b）所示。由于每個出口電路的電阻取值相同，都取22Ω，則C點(diǎn)電位接近An點(diǎn)電位。分機(jī)數(shù)量越大，兩點(diǎn)電位就越接近。485芯片為差動輸出方式，同時有拉電流和灌電流存在，電流I=U/R。由于電流I的存在，使485的差動輸出端各有0.3V的電壓降。485芯片由輸出口造成的功率損耗為P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。
U=5-0.3×2=4.4V
R=22Ω
I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A
P=0.6×0.2=0.12W=120mW

由于功耗P與485芯片的耗散功率接近，所以485芯片經(jīng)常有損壞的現(xiàn)象。為了解決這個問題，只有降低485芯片的功率損耗。由功耗P的計(jì)算公式可知，由于電壓一定，只有增大R值，才能減小功耗P。又因?yàn)樵谡顟B(tài)下，485芯片的接收端處于差動輸入狀態(tài)，這時，起發(fā)送作用的485芯片的輸出端除了導(dǎo)線的分布電容，再無其它負(fù)載，而在485芯片輸出相位切換時刻，可將分布電容看作是AB線短路，則I=U/（2R）。從工程應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得出， 20mA電流環(huán)，可使通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

由I=U/（2R）得
R=U/2I=4.4/(20×2)=0.11kΩ=110Ω

在實(shí)際應(yīng)用中，R選用100Ω電阻，經(jīng)過這樣處理之后， 485芯片再也沒有出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。

以上分析是針對主、分機(jī)采用同一電源的對于各自獨(dú)立電源供電的通信網(wǎng)絡(luò)，485輸出口的狀態(tài)最后仍然等效成如圖1(b)所示電路。

在主機(jī)通信口由輸出轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)時，分機(jī)還沒有接管通信總線，這時通信線處于懸浮狀態(tài)，極易拾取噪聲。分機(jī)與主機(jī)采用同組電源時，其噪聲幅度與信號幅度接近，如圖2（a）所示；當(dāng)分機(jī)采用各自獨(dú)立電源時，其噪聲幅度大于2倍信號幅度，如圖2（b）所示。