成方林，門雅彬，張翼飛

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

RS-485總線在海氣邊界層觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用

成方林，門雅彬，張翼飛

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

文中介紹了RS-485總線在海氣邊界層觀測系統(tǒng)的一個應(yīng)用實(shí)例，包括RS-485總線的基本特性和MODBUS通信協(xié)議，重點(diǎn)對RS-485總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)及系統(tǒng)的高層通信協(xié)議的設(shè)計思路作了詳細(xì)介紹。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)采用RS-485總線通訊，具有易于安裝維護(hù)、工作穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。

RS-485總線；Modbus；海氣邊界層；觀測系統(tǒng)

海氣邊界層觀測系統(tǒng)安裝在觀測鐵塔上，其主要功能是對氣溫、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向梯度進(jìn)行觀測。要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便并具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)鐵塔高度靈活配置安裝傳感器層數(shù)。因此，傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以滿足實(shí)際應(yīng)用，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則為最優(yōu)選擇。RS-485總線結(jié)構(gòu)是目前分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的代表之一。RS-485總線結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報警等領(lǐng)域。

1 RS-485國際標(biāo)準(zhǔn)

RS-485標(biāo)準(zhǔn)最初是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983年制訂并發(fā)布的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，后由TIA（通訊工業(yè)協(xié)會）修訂后命名為TIA/EIA-485-A。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴。RS-485是由RS-422發(fā)展而來，后者是為彌補(bǔ)RS232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)而提出的。RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10 Mbps，傳輸距離延長到 1 219.2 m（4 000 ft）（速率低于 100 kbps時），并允許在一條平衡線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，隨后又為其增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上。同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，這就是后來的EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS-485接口的主要特點(diǎn)如下：

●平衡傳輸；

●多點(diǎn)通信；

● 接收器輸入門限：±200 mV；

●-7～12V總線共模范圍；

● 最大輸入電流：1.0～-0.8 mA（12～-7Vin）；

● 最大總線負(fù)載：32個單位負(fù)載（UL）；

● 最大傳輸速率：10 Mbps；

● 最大電纜長度：1 219.2 m（4 000 ft）。

圖1為典型的RS 485兩線網(wǎng)絡(luò)圖。RS-485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信、它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。正因?yàn)榇?，許多不同領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，例如汽車電子、電信設(shè)、工業(yè)控制、儀器儀表等等。

2 RS-485總線應(yīng)用

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)。

圖2 RS485常用錯誤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 RS485正確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 典型的RS485兩線網(wǎng)絡(luò)圖

如圖2所示a，b，c這三種網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴(yán)重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質(zhì)量下降。圖3為正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，采用一條總線將各個節(jié)點(diǎn)串接起來，從總線到每個節(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。

海氣邊界層監(jiān)側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。由于氣溫、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向信號為模擬信號，不能直接連接到RS-485總線上，必須對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理后才能進(jìn)行數(shù)字通信，為此需要設(shè)計數(shù)據(jù)變送器。數(shù)據(jù)變送器的作用就是對氣溫、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向信號進(jìn)行采集處理（包括A/D轉(zhuǎn)換），并通過RS-485總線與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信。

海氣邊界層觀測系統(tǒng)采用半雙工通信方式，數(shù)據(jù)采集器做為主（master）設(shè)備，數(shù)據(jù)變送器作為從（slave）設(shè)備。在RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個網(wǎng)絡(luò)中任一時刻只能有一個從設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有從設(shè)備都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個或2個以上從設(shè)備同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。數(shù)據(jù)采集器采用定時輪循的方式對各層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)變送器命令和數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后立刻轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，以此解決總線沖突問題。

圖4 海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶需要建立自己的高層通信協(xié)議。海氣邊界層觀測系統(tǒng)中RS-485用戶高層通信協(xié)議是數(shù)據(jù)變送器和數(shù)據(jù)采集器之間，數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)接收處理計算機(jī)之間通信的標(biāo)準(zhǔn)。沒有合理的RS-485用戶高層通信協(xié)議，海氣邊界層觀測系統(tǒng)就不能正常工作。

目前，應(yīng)用在RS-485總線的最流行通信協(xié)議是Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信?？刂破魍ㄐ攀褂弥鳌獜募夹g(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢）。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測碼。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和錯誤檢測碼。

為了對數(shù)據(jù)變送器進(jìn)行區(qū)別，設(shè)置了相應(yīng)的地址。數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集器以輪循的方式通過RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令給數(shù)據(jù)變送器。數(shù)據(jù)變送器收到命令后對命令進(jìn)行分析，如果命令中的地址信息與本地地址一致，則進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)，否則不予響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集器發(fā)送給數(shù)據(jù)變送器的數(shù)據(jù)采集命令格式為：命令起始標(biāo)志（$）+命令類型+從設(shè)備地址+命令結(jié)束標(biāo)志（crlf）。命令中沒有奇偶校驗(yàn)的原因是為了方便人工系統(tǒng)調(diào)試。數(shù)據(jù)變送器的響應(yīng)命令格式為：命令起始標(biāo)志 （$）+命令類型+從設(shè)備地址+數(shù)據(jù)+奇偶校驗(yàn)+命令結(jié)束標(biāo)志（crlf）。響應(yīng)命令中加奇偶校驗(yàn)的目的是保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，防止通信時產(chǎn)生誤碼。數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)接收處理計算機(jī)之間因?yàn)槭屈c(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行通信，因此命令中不需要加設(shè)備地址。命令類型包括原始數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)補(bǔ)錄、校時、數(shù)據(jù)采集器設(shè)置等。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2009年9月開始，海氣邊界層觀測系統(tǒng)在現(xiàn)場進(jìn)行安裝運(yùn)行。由于系統(tǒng)采用RS-485總線技術(shù)，與傳統(tǒng)海氣邊界層觀測系統(tǒng)產(chǎn)品相比，安裝和調(diào)試方法更為簡單。每一層的測量傳感器和數(shù)據(jù)變送器可以自成系統(tǒng)、獨(dú)立運(yùn)行，在地面進(jìn)行調(diào)試完畢后，可以讓專業(yè)鐵塔作業(yè)人員上塔安裝即可，無須技術(shù)人員上塔進(jìn)行接線和調(diào)試，從而解決了技術(shù)人員無法進(jìn)行鐵塔高空作業(yè)的難題。此外，由于RS-485總線支持遠(yuǎn)距離通信（4 000 ft），因此數(shù)據(jù)采集器和供電電源可以不安裝在鐵塔上，可以根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇安裝位置，從而也可以大大提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。

圖5為海氣邊界套監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝的照片。圖6為鐵塔上每一層安裝的傳感器和變送器。從圖中可以看出，鐵塔上只安裝了測量傳感器和數(shù)據(jù)變送器，大大簡化了系統(tǒng)的安裝和維護(hù)工作。

圖5 海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖

圖6 每一層安裝的傳感器和數(shù)據(jù)變送器圖

4 結(jié)語

RS-485總線具有電路設(shè)計簡單、軟件設(shè)計方便、成本低等特點(diǎn)，是工業(yè)控制和測量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)之一。采用RS-485總線技術(shù)的海氣邊界層觀測系統(tǒng)自2009年9月在現(xiàn)場安裝并業(yè)務(wù)化運(yùn)行至今，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，得到了使用單位的高度肯定。

[1]B&B Electronics.RS-422 and RS-485 Application Note[M].2006：6-10.

[2]門雅彬,張齊,成方林,等.RS-485總線在海氣邊界層監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2009(1):37-38.

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Application of the RS-485 Bus in Air-sea Boundary Region Observation System

CHENG Fang-lin,MEN Ya-bin,ZHANG Yi-fei
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The application of RS-485 bus in the air-sea boundary layer observing system is introduced，including the basic characteristics of RS-485 bus and the MODBUS communication protocol.The RS-485 bus application architecture in the system and the design idea about high level communication protocol of the system are introduced in detail.Practical application shows that when using the RS-485 bus,the system has such characteristics as easy to be installed and maintained,reliable and stable working.

RS-485;bus;Modbus;air-sea boundary layer;observation system

P715

B

1003-2029（2011）03-0025-04

2010-12-09

國家海洋防災(zāi)減災(zāi)專項(xiàng)支持項(xiàng)目。