基于RS-485總線信號(hào)的可靠性研究

高志國(guó)

(中原油田勘探研究設(shè)計(jì)院,河南濮陽 457001)

0 引 言

由于其物理結(jié)構(gòu),在化工企業(yè)復(fù)雜電磁環(huán)境的通信過程中需要解決節(jié)點(diǎn)間存在的相互干擾問題,以此提高系統(tǒng)的可靠性。

1 傳統(tǒng)RS-485總線型模式的弊端

現(xiàn)有的RS-485總線型接入模式,造成節(jié)點(diǎn)間的相互干擾對(duì)總線產(chǎn)生影響?？偩€上所有的下位機(jī)共享一個(gè)信號(hào)通道,這種物理結(jié)構(gòu)增加了節(jié)點(diǎn)間的公共阻抗耦合,節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生相互干擾,因此在很大程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

首先,大功率的電氣設(shè)備及輸電線都會(huì)在附近的通信線上感應(yīng)出干擾電壓,對(duì)RS-485總線上某一節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果見表1所列。

表1 傳統(tǒng)型RS-485總線干擾電壓測(cè)量

從表1測(cè)量結(jié)果顯示:節(jié)點(diǎn)間的電磁耦合對(duì)感應(yīng)電壓的幅值有很大影響。由于通信線為雙絞線,兩根通信線上的感應(yīng)電壓可認(rèn)為幅值及相位均相同的共模電壓。但是雙絞線的扭曲不可能完全一致,節(jié)距也不盡相等,所以線間會(huì)出現(xiàn)差模電壓。RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器接收到2.0 V電壓時(shí)就會(huì)動(dòng)作。因此,節(jié)點(diǎn)間的相互干擾增加了共模電壓數(shù)值以及出現(xiàn)差模信號(hào)的比例,從而增大系統(tǒng)誤動(dòng)作的概率。

其次,大功率電氣設(shè)備開關(guān)動(dòng)作時(shí)將產(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng),附近或者與之相連節(jié)點(diǎn)的信號(hào)線上的瞬間感應(yīng)電壓/電流均遠(yuǎn)高于RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器的閾值電壓(12 V)/電流(250 mA),因此,沒有良好的限壓裝置將燒毀節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)/接收器,更危險(xiǎn)的情況是,總線上其他節(jié)點(diǎn)將通過公共回路的耦合,必然感應(yīng)出相同幅值的高壓,使總線上所有的節(jié)點(diǎn)都受到影響。

最后,中控室外通信電纜屏蔽層會(huì)由于自然磨損、施工不當(dāng)或惡意破壞等因素,出現(xiàn)兩根通信線短接,致使總線一直處于邏輯 0的狀態(tài)。根據(jù)RS-485協(xié)議,下位機(jī)把其解釋為一個(gè)新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位,由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位,這便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)果,因此也就不會(huì)再有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求總線,網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓狀態(tài)。

2 RS-485 HUB星型總線的解決方法

盡管可以通過改善企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境,降低電磁污染,增加限壓裝置以及利用短路偏置等方法提高RS-485總線的穩(wěn)定性,但是,沒有從根本上隔離出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn),整個(gè)總線系統(tǒng)都將無法工作,因此只有提高總線自身的可靠性,才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作?；诖?該文所提出的RS-485 HUB星型總線一方面從物理結(jié)構(gòu)上完全隔離節(jié)點(diǎn),同時(shí)還從軟件上提高抗干擾能力,減少相互間干擾。

2.1 物理隔離

RS-485 HUB星型總線中,采用與下位機(jī)數(shù)目相同的RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器,分別與所有節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng),各自獨(dú)立完成該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)。首先,HUB上的單片機(jī)截獲上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包,進(jìn)行地址確認(rèn)后,控制 HUB中與這個(gè)地址節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的 RS-485驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)輸出端,再將截獲的數(shù)據(jù)包原封不動(dòng)地發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器,發(fā)送完成后,自動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為接收器,等待下位機(jī)的反饋信息。HUB中其他RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器的輸出端沒有收到控制指令,不改變狀態(tài),只有選通的節(jié)點(diǎn)獨(dú)立通信。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 RS-485 HUB星型結(jié)構(gòu)示意

采用RS-485 HUB星型結(jié)構(gòu)總線后電壓值測(cè)量見表2所列。

表2 RS-485 HUB星型結(jié)構(gòu)總線干擾電壓測(cè)量

從表2電壓測(cè)量值中可以看到,RS-485 HUB中節(jié)點(diǎn)之間的干擾明顯減小,物理隔離保證了節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,RS-485 HUB中即使某節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障,其他節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。因此,RS-485 HUB星型總線保證了當(dāng)一路節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾或短路問題時(shí),不會(huì)影響總線的其他節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)的可靠性得到改善。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在程序中加入信息的多重判斷、自動(dòng)檢驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)等語句,一旦出現(xiàn)差模干擾導(dǎo)致的誤碼和亂碼,經(jīng)過程序辨別后可以直接屏蔽。為了防止干擾導(dǎo)致程序失控陷入死循環(huán),采用時(shí)間監(jiān)視器,監(jiān)控程序的運(yùn)行以及單片機(jī)的電源供電。軟件流程如圖2所示。

圖2 RS-485 HUB軟件設(shè)計(jì)流程示意

3 結(jié)束語

RS-485 HUB星型總線不同于傳統(tǒng)意義上的RS-485總線,就其物理結(jié)構(gòu)而言,每個(gè)RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器并沒有實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收的總線功能,而是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的星型連接實(shí)現(xiàn)了RS-485 HUB的功能,該方案中系統(tǒng)可靠性的提高是以增加RS-485驅(qū)動(dòng)/接收器的數(shù)量為代價(jià)的。但是,RS-485HUB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)工作環(huán)境要求不高,其高可靠性和穩(wěn)定性特別適用于化工企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),因此就其性價(jià)比而言,超過了傳統(tǒng)的RS-485總線。RS-485 HUB星型總線已經(jīng)運(yùn)用在一些化工企業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中,運(yùn)行穩(wěn)定,抗干擾能力較以前有所提高,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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