RS-485總線(xiàn)可靠性設計參考
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現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)重點(diǎn)組成部分之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)，它是連接設置在控制現場(chǎng)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(wǎng)絡(luò )。其關(guān)鍵標志是能支持雙向、多節點(diǎn)、總線(xiàn)式的全數字通信。它使傳統的控制系統結構產(chǎn)生了革命性的變化，對自控系統朝著(zhù)智能化、數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、分散化的方向邁進(jìn)起著(zhù)重要作用。
RS-485作為最常用的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)，因其硬件設計簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、工業(yè)控制、能源安全監測、水利自動(dòng)報測等領(lǐng)域。但RS-485總線(xiàn)在一些設計及使用過(guò)程中的細節問(wèn)題處理不當時(shí)也會(huì )導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障，因此提高RS-485總線(xiàn)的運行可靠性至關(guān)重要。
一、RS-485接口電路的硬件設計
1. 總線(xiàn)匹配
方案一：在位于總線(xiàn)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，可以節省大部分功率，但電容C的取值是個(gè)難點(diǎn)，需要在功耗和匹配質(zhì)量間進(jìn)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(zhì)量的目的，節能效果顯著(zhù)。
2. RO及DI端配置上拉電阻
異步通信數據以字節的方式傳送，在每一個(gè)字節傳送之前，先要通過(guò)一個(gè)低電平起始位實(shí)現握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO(接收器輸出)產(chǎn)生負跳變，使接收端MCU進(jìn)入接收狀態(tài)，建議RO外接10kΩ上拉電阻。
3. 保證上電時(shí)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(guò)反相器進(jìn)行控制，不宜采用MCU引腳直接進(jìn)行控制，以防止MCU上電時(shí)對總線(xiàn)的干擾，保證系統上電時(shí)的RS-485芯片處于接收輸入狀態(tài)。
4. 總線(xiàn)隔離
RS-485總線(xiàn)為并接式二線(xiàn)制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線(xiàn)“拉死”，因此對其二線(xiàn)口A(yíng)+、B-與總線(xiàn)之間應加以隔離。通常在A(yíng)+、B-與總線(xiàn)之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時(shí)與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線(xiàn)路浪涌干擾。如沒(méi)有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩壓管代替。
5. 合理選用芯片
設備使用場(chǎng)景可能會(huì )遇到強電磁(雷電)沖擊時(shí)，建議選用防雷擊芯片。
二、RS-485網(wǎng)絡(luò )配置
1. 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數
網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數與所選RS-485芯片驅動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，實(shí)際使用時(shí)，因線(xiàn)纜長(cháng)度、線(xiàn)徑、網(wǎng)絡(luò )分布、傳輸速率不同，實(shí)際節點(diǎn)數均達不到理論值。通常推薦節點(diǎn)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?xún)?，從通信效率、節點(diǎn)數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時(shí)，應考慮通過(guò)增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。
2. 節點(diǎn)與主干距離
理論上講，RS-485節點(diǎn)與主干之間距離(T頭，也稱(chēng)引出線(xiàn))越短越好。T頭小于10m。的節點(diǎn)采用T型，連接對網(wǎng)絡(luò )匹配并無(wú)太大影響，可放心使用，但對于節點(diǎn)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(xiàn)，大多用于一對多點(diǎn)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(diǎn)的主從應答式通信系統中，相對于RS-232等全雙工總線(xiàn)效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要。
1. 穩態(tài)控制
總線(xiàn)穩態(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(xiàn)進(jìn)入穩定的發(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(shí)有4個(gè)機器周期已滿(mǎn)足要求。
2. 傳輸質(zhì)量
為保證數據傳輸質(zhì)量，對每個(gè)字節進(jìn)行校驗的同時(shí)，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(cháng)度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成，每個(gè)數據包長(cháng)度達20~30字節。在RS-485系統中這樣的協(xié)議不太簡(jiǎn)練。推薦用戶(hù)使用Modbus協(xié)議，該協(xié)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(wǎng)絡(luò )，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(lián)供電，同時(shí)電源線(xiàn)(交直流)不能與RS-485信號線(xiàn)共用同一股多芯電纜。RS-485信號線(xiàn)宜選用截面積0. 75平方毫米以上雙絞線(xiàn)而不是平直線(xiàn)。對于每個(gè)小容量直流電源選用線(xiàn)性電源比選用開(kāi)關(guān)電源更合適。
五、光電隔離
在某些工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現場(chǎng)情況十分復雜，各個(gè)節點(diǎn)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(guò)RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時(shí)，接收器就再也無(wú)法正常工作了，嚴重時(shí)甚至會(huì )燒毀芯片和儀器設備。解決此類(lèi)問(wèn)題的方法是通過(guò)DC-DC將系統電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過(guò)光S將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。
實(shí)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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