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RS-485總線可靠性設計參考

瀏覽次數：發(fā)布時間：2021-12-03

       現場總線技術作為自動化領域技術重點組成部分之一，被譽為自動化領域的計算機局域網，它是連接設置在控制現場的儀器儀表與設置在控制室內的控制設備的數字化、串行、多站通信的網絡。其關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數字通信。它使傳統的控制系統結構產生了革命性的變化，對自控系統朝著智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化的方向邁進起著重要作用。
 
       RS-485作為最常用的現場總線技術采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來驅動總線，因其硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點被廣泛應用于工廠自動化、工業(yè)控制、能源安全監(jiān)測、水利自動報測等領域。但RS-485總線在一些設計及使用過程中的細節(jié)問題處理不當時也會導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運行可靠性至關重要。
 
       一、RS-485接口電路的硬件設計
       1. 總線匹配
       方案一：在位于總線兩端的差分端口，A+與B-之間跨接120Ω匹配電阻，減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，抑制噪聲干擾。但匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴格的系統；
 
       方案二：比較省電的匹配方案是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的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折中；
 
       方案三：采用二極管匹配，利用二極管的鉗位作用，迅速削弱反射信號達到改善信號質量的目的，節(jié)能效果顯著。
 
       2. RO及DI端配置上拉電阻
       異步通信數據以字節(jié)的方式傳送，在每一個字節(jié)傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO(接收器輸出)產生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態(tài)，建議RO外接10kΩ上拉電阻。
 
       3. 保證上電時芯片狀態(tài)正確
       對于收發(fā)控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進行控制，不宜采用MCU引腳直接進行控制，以防止MCU上電時對總線的干擾，保證系統上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態(tài)。
 
       4. 總線隔離
       RS-485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此對其二線口A+、B-與總線之間應加以隔離。通常在A+、B-與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩(wěn)壓管代替。
 
       5. 合理選用芯片
       設備使用場景可能會遇到強電磁(雷電)沖擊時，建議選用防雷擊芯片。
 
       二、RS-485網絡配置
       1. 網絡節(jié)點數
       網絡節(jié)點數與所選RS-485芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關，實際使用時，因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同，實際節(jié)點數均達不到理論值。通常推薦節(jié)點數按RS-485芯片最大值的70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s之間選取。通信距離1km以內，從通信效率、節(jié)點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時，應考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。
 
       2. 節(jié)點與主干距離
       理論上講，RS-485節(jié)點與主干之間距離(T頭，也稱引出線)越短越好。T頭小于10m。的節(jié)點采用T型，連接對網絡匹配并無太大影響，可放心使用，但對于節(jié)點間距非常小(小于1m，如LED模塊組合屏)應采用星型連接，若采用T型或串珠型連接就不能正常工作。
 
       RS-485是一種半雙工結構通信總線，大多用于一對多點的通信系統，因此主機(PC)應置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。
 
       三、提高RS-485通信效率
       RS-485通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中，相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多，因此選用合適的通信協議及控制方式非常重要。
 
       1. 穩(wěn)態(tài)控制
       總線穩(wěn)態(tài)控制(握手信號)大多數使用者選擇在數據發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數據；數據發(fā)送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發(fā)送完畢后才轉入接收狀態(tài)。使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求。
 
        2. 傳輸質量
       為保證數據傳輸質量，對每個字節(jié)進行校驗的同時，應盡量減少特征字和校驗字慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個數據包長度達20~30字節(jié)。在RS-485系統中這樣的協議不太簡練。推薦用戶使用Modbus協議，該協議己廣泛應用于水利、水文、電力等行業(yè)設備及系統的國際標準中。
 
       四、RS-485接口電路的電源、接地
       對于由MCU結合RS-485微系統組建的測控網絡，應優(yōu)先采用各微系統獨立供電方案，最好不要采用一臺大電源給微系統并聯供電，同時電源線(交直流)不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0. 75平方毫米以上雙絞線而不是平直線。對于每個小容量直流電源選用線性電源比選用開關電源更合適。
 
       五、光電隔離
       在某些工業(yè)控制領域，由于現場情況十分復雜，各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時，接收器就再也無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過光S將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。
 
        實現此方案的途徑：用光藕、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路；使用二次集成芯片。
 
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