山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 曹 濤

山東省青年管理干部學(xué)院總務(wù)處 張 蕾

現(xiàn)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用的總線技術(shù)種類較多，如RS-485、Profibus、Can總 線 等，鑒 于RS-485、Profibus、Can 總線所應(yīng)用的ISO/OSI的物理層采用的均為EIA的RS-485總線規(guī)范，本文將討論火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中基于RS-485的總線常見故障及其處理方法。

1 RS-485標(biāo)準(zhǔn)

EIA于1983年推出了適合遠(yuǎn)距離數(shù)字通信的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，這是一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離、雙向通信的總線標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)于集散控制系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。如標(biāo)準(zhǔn)西門子變頻器MICOROMASTER4系列帶有串行接口，而串行接口采用RS-485雙線連接，可直接實(shí)現(xiàn)與控制設(shè)備的通信。

RS-485的數(shù)字信號(hào)采用差分傳輸方式，可以有效減小共模干擾，提高通信距離。最大傳輸距離約為4000ft（約合1219m），最大傳輸速率為10Mbps。RS-485網(wǎng)絡(luò)只有傳輸速率在100bps以下時(shí)才可能達(dá)到最大傳輸距離；只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率，如圖1所示。由于損耗與頻率有關(guān)，所以傳輸速率與傳輸距離約為反比關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：速率(bps)×距離(m)≤1×108bps·m

圖1 傳輸速率和傳輸距離的關(guān)系

RS-485組網(wǎng)采用二線方式時(shí)，采用一條雙絞線電纜作總線，將各節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，總線上可連接多達(dá)32臺(tái)設(shè)備?？偩€到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響降到最小。否則，隨通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，原因在于信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，造成信號(hào)質(zhì)量的下降。當(dāng)RS-485網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備多于2臺(tái)時(shí)，就必須采用半雙工方式進(jìn)行通信，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收使用同一線路，發(fā)送時(shí)不允許接收數(shù)據(jù)進(jìn)入線路，反之亦然。RS-485網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)設(shè)備是主設(shè)備，其余全部是從設(shè)備；或者無(wú)主設(shè)備，各個(gè)設(shè)備之間通過(guò)傳遞令牌獲得總線控制權(quán)。RS-485總線線路空閑（即不傳送信號(hào)），線路處于高阻（或掛起）狀態(tài)，這時(shí)RS-485總線線路就可以允許被其他設(shè)備占用。根據(jù)RS-485芯片的驅(qū)動(dòng)能力不同，一個(gè)RS-485數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備可以驅(qū)動(dòng)32臺(tái)256臺(tái)數(shù)據(jù)接收設(shè)備。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義的其接口電路的特性：

·共 模電壓范圍在－7V～＋12V之間

·接 收器最小輸入阻抗為12MΩ

·輸入端電容不大于50pf

·接收器輸入靈敏度為±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示邏輯信號(hào)“0”；V+－V-≤-200mV表示邏輯信號(hào)“1”），如圖2所示。

2 RS－485總線的實(shí)現(xiàn)

圖2 RS-485接口信號(hào)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，RS-485半雙工異步通信串行總線廣泛使用于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警控制器和分散控制單元（感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器、輸入輸出模塊等）之間，而往往分散控制單元數(shù)量較多，分布較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，所以通信的可靠性不高。再加上軟硬件設(shè)計(jì)的不完善，使得實(shí)際工程應(yīng)用中如何保障RS-485總線的通信的可靠性成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。我們對(duì)影響RS-485總線通信的可靠性因素做出總結(jié)，對(duì)RS-485總線采取了如下的改進(jìn)措施。

2.1 傳輸線選擇和阻抗匹配

由于雙絞線價(jià)格低廉，使用方便，在差分平衡系統(tǒng)中，一般選擇雙絞線作為信號(hào)傳輸線。RS-485信號(hào)線宜選用截面積0.75mm2以上的雙絞線，并且此信號(hào)線不能與電源線（交直流）共用一股多芯電纜。系統(tǒng)安裝時(shí)應(yīng)盡量做到傳輸線單獨(dú)敷設(shè)，不與交流動(dòng)力線一起鋪設(shè)在同一條電纜橋架或電纜溝中。強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線避免平行走向，盡量使二者正交。如若難以實(shí)現(xiàn)，也要盡量使信號(hào)線離干擾線遠(yuǎn)一些，一般認(rèn)為兩者的距離應(yīng)為干擾線內(nèi)徑的40倍以上。

圖3 二線網(wǎng)絡(luò)的終結(jié)電阻匹配

雙絞線兩條線基本對(duì)稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對(duì)接收器的差動(dòng)輸入影響不大。但是，通信過(guò)程中，阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配均有可能導(dǎo)致通信電纜中的信號(hào)反射。阻抗不連續(xù)或阻抗不匹配產(chǎn)生的反射信號(hào)將可能觸發(fā)接收器輸入端，使接收器收到錯(cuò)誤信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤，從而影響了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。下面幾種情況容易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜；或某一段總線上有過(guò)多收發(fā)器緊靠在一起安裝；或者是過(guò)長(zhǎng)的分支線引出到總線?？傊瑧?yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。在通訊波特率比較高的時(shí)候或在工業(yè)環(huán)境下使用時(shí)建議裝設(shè)終結(jié)電阻。

衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。計(jì)算公式如下：

式中：Vref—反射信號(hào)的電壓大??；

Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。

通信過(guò)程中，對(duì)于這種阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配的狀況，通常采用加偏置電阻的方法來(lái)改善。由于通信載體一般為雙絞線，而雙絞線的特性阻抗一般在110Ω～130Ω之間，通常在傳輸線的始端、末端各接一個(gè)120Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配，以減小線路上傳輸信號(hào)的反射。但此匹配電阻要消耗較大的電流，不適用于功耗限制嚴(yán)格的系統(tǒng)。以二線網(wǎng)絡(luò)為例，終結(jié)電阻的接法如圖2所示。目前也已經(jīng)有把終結(jié)電阻集成在通信卡上的例子，如ADLINK公司的PCI-C485、C422串行通訊卡、ADVANTECH公 司 的PCI-1601、1602串行通訊卡，可以根據(jù)自己的需要直接通過(guò)對(duì)跳線的設(shè)置來(lái)接入終結(jié)電阻。

另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配。利用一只電容C隔斷直流成分可以節(jié)省大部分功率。但電容C的取值要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)行折中。

還有一種采用二極管的匹配方法。這種方法雖未實(shí)現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號(hào)，達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)量的目的，節(jié)能效果顯著。

2.2 共模干擾問題

某些工控領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用差分方式傳輸，具有一定的抗干擾能力，系統(tǒng)只需要檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。RS-485的共模電壓范圍是－7V～＋12V，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。

可以通過(guò)各微系統(tǒng)獨(dú)立供電的方案DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，徹底消除共模電壓的影響。可以選擇帶光電耦合、帶隔離DC-DC 的RS-485芯片構(gòu)筑電路。

另外，發(fā)送器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，對(duì)整個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)就必須有一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的信號(hào)地連接起來(lái)，使共模干擾電壓被短路。這條信號(hào)地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），也可以是屏蔽雙絞線的屏蔽層。

2.3 錯(cuò)誤狀態(tài)保護(hù)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器輸入 靈 敏 度 為±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示邏輯信號(hào)“0”；V+－V-≤-200mV表示邏輯信號(hào)“1”），這樣能夠提供比較高的噪聲抑制能力。但在這兩個(gè)狀態(tài)之外，總線上無(wú)信號(hào)傳輸時(shí)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”和“0”的第三態(tài)。由于第三態(tài)的存在，主機(jī)在發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時(shí)沒有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使A、B之間的電壓在-200mV～ ＋200mV直 至 趨 于0V。這就導(dǎo)致接收器輸出狀態(tài)不穩(wěn)定，如果此時(shí)接收器輸出為邏輯“0”，網(wǎng)絡(luò)中的分機(jī)將把它作為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)。由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，不再有設(shè)備請(qǐng)求總線，網(wǎng)絡(luò)將可能陷于癱瘓?？偩€空閑、開路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。

為避免接收器處于不確定狀態(tài)，通常的做法是將總線進(jìn)入空閑狀態(tài)時(shí)拉離“0”狀態(tài)，偏置在一個(gè)確定的狀態(tài)?？梢圆捎迷赗S-485總線的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，可將A上拉到地，B下拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，如圖4。

圖4 偏置電阻的接法

2.4 瞬態(tài)保護(hù)

實(shí)際應(yīng)用中，一般在切換大功率感性負(fù)載如電動(dòng)機(jī)變壓器繼電器等或閃電過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以防護(hù)就會(huì)損壞RS-485通信接口。對(duì)這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。

（1）隔離保護(hù)方法。這種方法實(shí)際上是將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用，通常采用高頻變壓器、光電耦合等元器件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離。現(xiàn)已有廠商將這些元件集成在一片IC中，使用起來(lái)非常方便，缺點(diǎn)是成本較高。

（2）旁路保護(hù)方法。這種方案利用瞬態(tài)雜波抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，持續(xù)時(shí)間短，而且需要一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

3 故障處理

3.1 RS-485常出現(xiàn)的硬件問題

RS-485經(jīng)常出現(xiàn)的硬件問題是連線的極性接反。正確地連接DATA＋和DATA-,都是非常重要的。DATA＋和DATA-有時(shí)候標(biāo)記為P＋和N-或者是A和B。

3.2 RS-485總線上掛接設(shè)備的地址

RS-485總線上掛接設(shè)備的地址必須是唯一的。設(shè)備總是在對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)聽，而且在識(shí)別標(biāo)志和校驗(yàn)正確無(wú)誤時(shí)，始終對(duì)合法的信息予以應(yīng)答，只有對(duì)廣播信息例外，廣播方式時(shí)，無(wú)設(shè)備予以應(yīng)答。可以用示波器觀測(cè)總線。

3.3 采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案

為消除共模干擾采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案，最好不要采用一臺(tái)大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)供電，同時(shí)電源線（交直流）不能與RS-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。

3.4 S-485是什么結(jié)構(gòu)的通信總線

RS-485是一種半雙工結(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)（PC）應(yīng)置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。RS-485節(jié)點(diǎn)與主干之間距離（T頭，也稱引出線）越短越好。通信距離1km以上時(shí)，應(yīng)考慮通過(guò)增

加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

深入研究各種火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總線工作方式，合理規(guī)范設(shè)計(jì)，避免常見問題的發(fā)生，使火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的工作。

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