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實(shí)用資料——RS485總線理論及應(yīng)用分析 |
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| 作者：chunyang 欄目：通信技術(shù) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
這是一篇轉(zhuǎn)貼，關(guān)于485總線的各部分論述較為詳細(xì)，有網(wǎng)友關(guān)于485總線的參考地互連問題提出置疑，故先帖一篇相關(guān)文章，再就有關(guān)問題展開討論。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)日益廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)往往由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，需要解決多站、遠(yuǎn)距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。使用RS-485總線，一對(duì)雙絞線就能實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。 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)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)，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(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)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(duì)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(zhǎng)度及信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間上升或下降時(shí)間超過電信號(hào)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(hào)的上升或下降時(shí)間最小為250ns，典型雙絞線上的信號(hào)傳輸速率約為0.2m/ns(24AWG PVC電纜)，那么只要數(shù)據(jù)速率在250kbps以內(nèi)，電纜長(zhǎng)度不超過16米，采用SP483作為RS-485接口時(shí)就可以不加終端匹配。 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(zhǎng)時(shí)由于信號(hào)在引出線中的反射也會(huì)影響總線上的信號(hào)質(zhì)量，系統(tǒng)所能允許的引出線長(zhǎng)度也和信號(hào)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(zhǎng)度： Lmax=(tRISE·0.2m/ns)/10 以SP483為例，對(duì)應(yīng)于250ns的上升/下降時(shí)間，總線允許的最大引出線長(zhǎng)度約為5米。 減緩信號(hào)的前后沿斜率有利于降低對(duì)于總線匹配引出線長(zhǎng)度的要求和改善信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)還可使信號(hào)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(hào)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(duì)雙絞線將各個(gè)接口的A、B端連接起來，而不對(duì)RS-485通信鏈路的信號(hào)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(hào)并不需要對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來檢測(cè)信號(hào)系統(tǒng)，只需檢測(cè)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(hào)致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號(hào)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(zhǎng)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(hào)通道作為總線。根據(jù)這一原則對(duì)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 整改前后情況比較
(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(hào)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(cè)試得到的數(shù)據(jù)。 表2 傳輸距離和傳輸速率的關(guān)系
由表2看出，當(dāng)波特率降低到1200以下時(shí)，所有表都可以抄讀成功。實(shí)驗(yàn)表明，最高波特率在1200時(shí)，208只表可以一次抄讀成功。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各種常用波特率下系統(tǒng)能抄讀到的最遠(yuǎn)距離進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3。  可以看出，在110～1200波特率時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸完全正確，但隨著波特率的提高，傳輸距離呈下降趨勢(shì)。所以在傳輸速度允許的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能地降低波特率。另外，進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會(huì)在保證準(zhǔn)確程度的前提下提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。 結(jié)語 RS-485總線，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長(zhǎng)傳輸距離、沖突保護(hù)等特性，但還需要考慮合理的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)布局、連續(xù)的信號(hào)通道、周全的保護(hù)措施等，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)有總體規(guī)劃。 * - 本貼最后修改時(shí)間：2005-8-29 17:21:16 修改者：chunyang |
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| 作者： iQanalog 于 2005/8/29 16:42:00 發(fā)布：
我地有一個(gè)系統(tǒng)，機(jī)殼不能接大地 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全需要，只能如此。 對(duì)此，總線有何影響？ ----我們是用好久了，不過，對(duì)有的問題就是認(rèn)識(shí)不深刻。感謝您轉(zhuǎn)的好文! |
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| 作者： iQanalog 于 2005/8/29 17:03:00 發(fā)布：
問題2 出于防雷需要，最近的改造中，將總線屏蔽層在32或33個(gè)負(fù)載中，采用了3個(gè)點(diǎn)與大地連接的方式，這對(duì)機(jī)殼不接地是一個(gè)補(bǔ)償。但有什么不理想的地方呢？ 注---改造時(shí)對(duì)系統(tǒng)還有如下變動(dòng)：線路除了與設(shè)備結(jié)合部外，全部屏護(hù)，但屏蔽層和設(shè)備外殼仍然不接地。這是個(gè)防雷公司出的方案，已經(jīng)足夠地保守了，但對(duì)通訊有何影響呢？ |
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| 作者： chunyang 于 2005/8/29 18:16:00 發(fā)布：
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多設(shè)備是不準(zhǔn)許機(jī)殼接地 可以用“浮地”，485地和機(jī)殼不通即可。 至于不接地是否有影響或影響程度有多大，則取決于該節(jié)點(diǎn)的特性，如果引入的干擾不大當(dāng)然無所謂，但這樣的節(jié)點(diǎn)在同一總線范圍內(nèi)很多時(shí)，問題出現(xiàn)的幾率就會(huì)隨著類似節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多而大大增加。 “出于防雷需要，最近的改造中，將總線屏蔽層在32或33個(gè)負(fù)載中，采用了3個(gè)點(diǎn)與大地連接的方式，這對(duì)機(jī)殼不接地是一個(gè)補(bǔ)償。但有什么不理想的地方呢？” 這樣可能導(dǎo)致地電位不平衡加劇，但只是可能，不接地不見得地電位一定不平衡。 屏蔽層如果不接地接哪里？懸空的話豈非意義不大了，或者是接了放電元件？ |
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| 作者： iQanalog 于 2005/8/29 19:11:00 發(fā)布：
是這樣的 1 電纜屏蔽層是3點(diǎn)接地，這已經(jīng)說清楚了，但接地點(diǎn)是在中間取的。但總線的公共電位點(diǎn)不接地。 2 電纜是放在一個(gè)托盤橋架或與之等效的封閉金屬體內(nèi)，由于它沒有接地(如前面說的設(shè)備不能和大地連接一樣，它也不能和大地連接)，我前面描述為“屏護(hù)”(不是很恰當(dāng)，僅僅是為區(qū)別而已，只是剛剛叫完屏護(hù)后面又說“屏蔽層和設(shè)備外殼仍然不接地”了，見笑!)。但它沒有和設(shè)備本體做電氣連接，整個(gè)系統(tǒng)也沒有放電元件。 關(guān)于這點(diǎn)，你說作用不大，我認(rèn)為還是有作用的，因?yàn)橥獠考眲∽兓碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)，都不能進(jìn)入了。----電場(chǎng)只使金屬表面作電荷變化；磁場(chǎng)被金屬體(鐵質(zhì)材料)旁路。雖然它表面不能形成電流，但內(nèi)部受到的干擾顯然能大為減小。因此，我的理解是，這一措施對(duì)通訊確實(shí)沒有什么影響，但對(duì)抗干擾能力的提高，還是有用的。也就是，問題應(yīng)歸位到前面說的“3點(diǎn)接地”的問題上。 * - 本貼最后修改時(shí)間：2005-8-29 19:21:42 修改者：iQanalog |
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| 6樓： | >>參與討論 |
| 作者： chunyang 于 2005/8/29 19:26:00 發(fā)布：
我以為是雙絞電纜的屏蔽層懸空了 大面積封閉的金屬空間當(dāng)然可以屏蔽電場(chǎng)，但這么干（不接放電回路）如果遇到落雷怎么辦？這樣的大型屏蔽金屬空間如果地勢(shì)較高恐怕容易吸引落雷的，最好在最高點(diǎn)以上加裝避雷針。 |
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| 7樓： | >>參與討論 |
| 作者： iQanalog 于 2005/8/29 22:09:00 發(fā)布：
現(xiàn)場(chǎng)情況和歷史情況 現(xiàn)場(chǎng)情況： 直擊雷是不可能打到的，可能發(fā)生的問題是只能是感應(yīng)雷。 預(yù)防直擊雷是建筑物的事情。建筑物有幾十米高，位于離地面不高的地方不會(huì)受直擊雷危害的。 歷史情況： 曾經(jīng)發(fā)生過多次雷電過后現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損壞的現(xiàn)象，當(dāng)然，幾乎都是在通訊部分。最嚴(yán)重的一次是最近發(fā)生的(記得我發(fā)過帖子，一時(shí)不記得在哪個(gè)版塊了，回頭找找)。不但現(xiàn)場(chǎng)一遍漆黑，連上位機(jī)的接口板也擊毀，當(dāng)時(shí)的在場(chǎng)人員還眼見火光。這也許就是最后促成下決心進(jìn)行防雷改造的原因。當(dāng)然，可幸的是，前年我提出禁止在雷雨前拆線(原來他們有這個(gè)習(xí)慣)，有的領(lǐng)導(dǎo)不同意，但員工不肯接受，不然是什么后果，難以預(yù)料。希望玩通訊的人引以為戒。 |
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| 8樓： | >>參與討論 |
| 作者： YANGTSE 于 2005/8/30 14:42:00 發(fā)布：
屏蔽線應(yīng)該只一端接地，兩端接地 不是屏蔽了。 |
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| 9樓： | >>參與討論 |
| 作者： iQanalog 于 2005/8/30 15:14:00 發(fā)布：
謝謝樓上的意見 我們的實(shí)際情況就是那樣。 有專家曾經(jīng)說最多只能選2點(diǎn)(從防雷和保證信號(hào)質(zhì)量考慮)，結(jié)果時(shí)竟然用了3點(diǎn)。我覺得，有了前面所說的“屏護(hù)”后，更應(yīng)該使用一點(diǎn)接地。 |
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| 10樓： | >>參與討論 |
| 作者： oudi 于 2005/8/30 15:58:00 發(fā)布：
解決 其實(shí)用無線算了，有485接口的，省去了布線成本，還能有效的防止雷擊(不要把天線放到樓頂呀)，我們改造過一套485溫濕度傳感器(18塊表)效果很好，之前遭雷擊壞了好幾塊 。 |
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| 11樓： | >>參與討論 |
| 作者： iQanalog 于 2005/8/30 20:57:00 發(fā)布：
被打怕了，我們現(xiàn)場(chǎng)到主控室也一起改成光纜 我們的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，不太可能改成無線的。 |
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| 12樓： | >>參與討論 |
| 作者： chenlr217 于 2005/8/30 21:37:00 發(fā)布：
與實(shí)際應(yīng)用好象不符吧 |
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| 13樓： | >>參與討論 |
| 作者： chunyang 于 2005/8/30 21:40:00 發(fā)布：
無線替代485必須是在小范圍內(nèi)、少節(jié)點(diǎn)、低速率下才可能 有屏蔽性隔離、廣譜射頻干擾嚴(yán)重的地方還不能用，局限性較大。 |
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| 14樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2005/11/27 16:25:00 發(fā)布：
最近有了一些新的認(rèn)識(shí) |
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| 15樓： | >>參與討論 |
| 作者： javie 于 2005/11/27 16:32:00 發(fā)布：
希望能有更多的認(rèn)識(shí) |
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| 16樓： | >>參與討論 |
| 作者： chunyang 于 2005/11/27 19:56:00 發(fā)布：
如此，期待高論 |
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| 17樓： | >>參與討論 |
| 作者： MCUATCN 于 2006/1/23 11:05:00 發(fā)布：
恩 好東西 |
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| 18樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/15 23:42:00 發(fā)布：
今天回來讀，感覺效果就是不一樣 |
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| 19樓： | >>參與討論 |
| 作者： sillboy 于 2006/4/7 12:46:00 發(fā)布：
學(xué)了東東 |
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| 20樓： | >>參與討論 |
| 作者： popo77 于 2007/3/23 15:56:00 發(fā)布：
精彩好貼 有數(shù)據(jù)、有分析、有結(jié)論。感謝lz。 |
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