RS485總線理論以及應(yīng)用分析
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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)試過程中遇到的問題及解決方法。
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)?/strong>一般采用終端匹配的總線型結(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。從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。
標(biāo)準(zhǔn)沒有規(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)，可通過增大收發(fā)器輸入電阻來擴(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、電纜長度及信號轉(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，只要反射信號在開始采樣時(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)信號的轉(zhuǎn)換時(shí)間上升或下降時(shí)間超過電信號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輸出信號的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns(24AWG
RS-485總線上的每個(gè)收發(fā)器通過一段引出線接入總線。引出線過長時(shí)由于信號在引出線中的反射也會(huì)影響總線上的信號質(zhì)量，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)速率有關(guān)，下面的經(jīng)驗(yàn)公式可以用來估算引出線的最大長度。
Lmax=(tRISE·0.2m/ns)/10
以SP483為例，對應(yīng)于250ns的上升/下降時(shí)間，總線允許的最大引出線長度約為5米。
減緩信號的前后沿斜率有利于降低對于總線匹配引出線長度的要求和改善信號質(zhì)量，同時(shí)還可使信號中的高頻成分降低，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減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，由此看來在選擇接口器件時(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。
僅僅用一對雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，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并不需要對于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測信號系統(tǒng)，只需檢測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)干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線上產(chǎn)生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設(shè)備。
實(shí)例應(yīng)用分析
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，而其他水表則有很多抄讀不到。經(jīng)過實(shí)地勘察和分析，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問題：
(1)網(wǎng)絡(luò)布局不合理。這時(shí)的結(jié)構(gòu)近似樹形，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，某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，或者是有過長的分支線引出總線，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)的信號通道作為總線。根據(jù)這一原則對網(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，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
能抄讀的水表數(shù)量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)波特率(bps)整改前121樹形14400整改后164單一總線14400
(2)波特率過高，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是通過實(shí)地測試得到的數(shù)據(jù)。
表2
波特率
(bps)能抄讀的
最大表號總線長度
(單位米,距離采集)能否全部
抄讀14400164810否9600172860否4800189950否24002001010否12002081050能1102081050能
485總線由于其布線簡單，穩(wěn)定可靠從而廣泛的應(yīng)用于視頻監(jiān)控，門禁對講，樓宇報(bào)警等各個(gè)領(lǐng)域中，但是，在485總線布線過程中由于有很多不完全準(zhǔn)確的概念導(dǎo)致出現(xiàn)很多問題。現(xiàn)在將一些錯(cuò)誤的觀念作出一些澄清。
1.485信號線可以和強(qiáng)電電源線一同走線。在實(shí)際施工當(dāng)中，由于走線都是通過管線走的，施工方有的時(shí)候?yàn)榱藞D方便，直接將485信號線和電源線綁在一起，由于強(qiáng)電具有強(qiáng)烈的電磁信號對弱電進(jìn)行干擾，從而導(dǎo)致485信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。
2.485信號線可以使用平行線作為布線，也可以使用非屏蔽線作為布線。由于485信號是利用差模傳輸?shù)?，即?85+與485-的電壓差來作為信號傳輸。如果外部有一個(gè)干擾源對其進(jìn)行干擾，使用雙絞線進(jìn)行485信號傳輸?shù)臅r(shí)候，由于其雙絞，干擾對于485+，485-的干擾效果都是一樣的，那電壓差依然是不變的，對于485信號的干擾縮到了最小。同樣的道理，如果有屏蔽線起到屏蔽作用的話，外部干擾源對于其的干擾影響也可以盡可能的縮小。
3.選擇使用普通的超五類屏蔽雙絞線即網(wǎng)線就可以。由于原材料價(jià)格上漲，導(dǎo)致現(xiàn)在市場上的線材魚龍混雜，有不良商人利用某種合金來頂替銅絲來做網(wǎng)線，在外面鍍銅以蒙混客戶。具體區(qū)別方法：看網(wǎng)線截面，如果是銅色的話，就是銅絲，如為白色，則是用合金以次充好。合金一般比較脆，容易斷，而且導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如銅絲，很容易在工程施工中造成問題。線材一般那建議選擇標(biāo)準(zhǔn)的485線，其為屏蔽雙絞線，傳輸線不是像網(wǎng)線那樣為單股的銅絲，而是多股銅絲絞在一起形成一根線，從而即使某根小銅絲斷掉，也不會(huì)影響整個(gè)的使用。
4.485布線可以任意布設(shè)成星型接線與樹形接線。485布線規(guī)范是必須要手牽手的布線，一旦沒有借助485集線器和485中繼器直接布設(shè)成星型連接和樹形連接，很容易造成信號反射導(dǎo)致總線不穩(wěn)定。很多施工方在485布線過程中，使用了星型接線和樹形接線，有的時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但是有的時(shí)候則總是出現(xiàn)問題，又很難查找原因，一般都是由于不規(guī)范布線所引起的。如果由于現(xiàn)場的限制，必須要進(jìn)行星型連接或者樹形連接，可以使用深圳市富永通科技有限公司的485集線器和485中繼器解決相關(guān)問題，相關(guān)參考頁面如下：485總線星型連接，485總線樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
5.485總線必須要接地。在很多技術(shù)文檔中，都提到485總線必須要接地，但是沒有詳細(xì)的提出如何接地。嚴(yán)格的說，485總線必須要單點(diǎn)可靠接地。單點(diǎn)就是整個(gè)485總線上只能是有一個(gè)點(diǎn)接地，不能多點(diǎn)接地，因?yàn)閷⑵浣拥厥且驗(yàn)橐獙⒌鼐€（一般都是屏蔽線作地線）上的電壓保持一致，防止共模干擾，如果多點(diǎn)接地適得其反?？煽拷拥貢r(shí)整個(gè)485線路的地線必須要有良好的接觸，從而保證電壓一致，因?yàn)樵趯?shí)際施工中，為了接線方便，將線剪成多段再連接，但是沒有將屏蔽線作良好的連接，從而使得其地線分成了多段，電壓不能保持一致，導(dǎo)致共模干擾。
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