DDC 通訊故障分析

陳寅生 （中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120）

工程中的自動控制系統(tǒng)由于控制點分散，點與點之間距離較遠(yuǎn)，不易采用電纜傳輸?shù)募锌刂品绞?，因此大量采用分散控制方式。為了傳遞數(shù)據(jù)，控制器與主機之間主要采用RS-485通訊方式。這種通訊方式具有接線簡單和通訊距離遠(yuǎn)的優(yōu)點。它在波特率為9600Baud時，不加中繼的最大傳輸距離為1200m，因此該通訊方式在工程中得到廣泛的應(yīng)用，絕大部分現(xiàn)場總線都是基于RS-485的通訊方式。

1 RS-485工作原理

RS-485是工程中最常用的一種通訊標(biāo)準(zhǔn)，它是RS-422通訊標(biāo)準(zhǔn)的擴展，它的信號傳輸有兩線制和四線制兩種方式，通常采用前者。這種接線方式為總線式結(jié)構(gòu)，在同一總線上一般可以連接32個節(jié)點或64個節(jié)點（根據(jù)通訊芯片的承載能力決定）。對于采用高驅(qū)動能力芯片的設(shè)備，一條鏈路理論上最多可以連接到128個節(jié)點。

RS-485通訊采用差動信號傳輸工作方式，當(dāng)通訊芯片的A、B兩端接收到的信號VA、VB在0.2V﹤VA-VB﹤6V時，表示數(shù)字電路的一種邏輯狀態(tài)；-6V﹤VA-VB﹤-0.2V時，表示數(shù)字電路的另一種邏輯狀態(tài)；-0.2V﹤VA-VB﹤0.2V時為空閑狀態(tài)。

一般情況下，一個最基本的RS-485通訊字節(jié)由11位組成，包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位校驗位和1位停止位。一個通訊數(shù)據(jù)包由多個通訊字節(jié)組成，它通常包括特征碼、地址、命令及數(shù)據(jù)等。雖然各設(shè)備生產(chǎn)商所采用的通訊協(xié)議不同，但是其基本架構(gòu)都是由以上參數(shù)所組成的。

RS-485通信采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機或一個主機帶多個局域控制器。連接RS-485通信鏈路時，只是簡單地用一對雙絞線將主機和各從機或控制器進(jìn)行連接，即將所有通訊接口的“A”、“B”端相對應(yīng)連接。由于它所采用的是差動信號傳輸方式，所以可以省略信號地的連接。這種連接方法在一般情況下不會出現(xiàn)大的工作問題，但是這種通訊方式存在共模干擾的危險。RS-485接口采用差動方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差即可。但是有一定的共模電壓（即傳輸信號對通訊芯片供電參照點即信號地的電壓）范圍限制，這個共模電壓范圍是-7V～+12V，只有滿足條件，通訊電路才能正常工作。當(dāng)電路中共模電壓超出這個范圍時，會影響通信的穩(wěn)定性；嚴(yán)重超出范圍，會損壞接口電路和通訊芯片。

1.1 線路連接

RS-485通訊的正確連接方式如圖1所示；連接不得出現(xiàn)分支，否則，在分支點上由于電纜本身所具有特性阻抗，會出現(xiàn)阻抗突變，如圖2所示。信號在傳輸過程中，遇到阻抗突變，會產(chǎn)生信號反射。一旦反射波與源波疊加，會產(chǎn)生誤碼，影響通訊質(zhì)量。通常情況下，考慮到通訊速度和傳輸距離，RS-485的通訊速率設(shè)置在9600Baud，最大有效傳輸距離1200m，特性阻抗大約在120Ω左右；有些產(chǎn)品的通訊速率可達(dá)到19200Baud，在這種情況下它的有效傳輸距離將要縮短；當(dāng)實際傳輸距離超出有效通訊范圍要求時，需要在線路中增加中繼器。

圖1 RS-485通訊線路正確連接方式

圖2 RS-485通訊線路錯誤連接方式

為了減少信號反射問題，RS-485的一條通訊線路上不允許出現(xiàn)分支，且在一條鏈路的終端需跨接90Ω～120Ω匹配電阻，為了盡可能的減輕通訊負(fù)載，工程上通常匹配120Ω的電阻；由于RS-485通訊方式為雙向傳輸，所以匹配電阻需加載在整條鏈路的兩端。

對于距離小于200m的傳輸線路，由于線間電容和線路電感較小，信號波形畸變不大，所以不會對通訊質(zhì)量造成大的影響，通常省略了匹配電阻。但是對于超過200m的通訊線路，線路的參數(shù)是不能忽視的，在增加了匹配電阻后，由于負(fù)載增加，一條鏈路所帶終端數(shù)必然要減少，否則會因為驅(qū)動能力不夠而使整條鏈路無法工作。超過有效傳輸距離的RS-485通訊線路，則需要在線路中增加“中繼器”。由于鏈路是在中繼器處斷開，因此到中繼器的入口處，是一條鏈路的終端，它的出口是另一條鏈路的起始端。這種情況下，在中繼器的兩端都需匹配120Ω的終端電阻。

從理論上分析，在鏈路終端跨接與電纜特征阻抗一致的電阻，可以消除信號反射。實際工程中，由于采用的電纜的長度、截面和絕緣材料等有所不同，其特征阻抗也會有所不同。雖然理論上講，終端匹配電阻應(yīng)該與電纜的特征阻抗一致，才能將反射信號降至最低，但是工程上不可能做到完全一致。由于電纜的特征電阻是線間電容和線路電感平方根函數(shù)，因此，即使采用不同品牌、不同截面的電纜，其特征電阻也不會有太大差別，所以工程上通常采用跨接120Ω匹配電阻。

1.2 屏蔽接地

通訊線路的屏蔽層需要接地是眾所周知的，但是往往很多通訊故障都是由于屏蔽層的接地不正確所引起的。為了減少對通訊的干擾，通訊線通常采用屏蔽雙絞線，但是屏蔽層的接地正確與否，會影響到通訊質(zhì)量的好壞，錯誤的接地方式甚至?xí)斐赏ㄓ嶋娐返膿p壞。

通常采用的DDC設(shè)備，為了防止外部通訊線路的干擾信號影響到MCU的正常運行，控制電路和通訊電路之間往往采用光電隔離技術(shù)。通訊側(cè)電路與設(shè)備內(nèi)部控制電路經(jīng)過光電耦合器傳輸信號，沒有導(dǎo)線的直接連接，從而避免外界信號的電平過高或強干擾影響到內(nèi)部控制電路。這種電路中所設(shè)置的通訊線屏蔽層接線端子通常是與通訊芯片供電電源的公共端（通訊信號地）連接，如圖3所示。

從 圖3分 析，兩 臺DDC距離較近且周邊沒有電磁場干擾的情況下，將通訊電纜的屏蔽層兩端分別接到兩臺設(shè)備的屏蔽層接線端子，僅僅是將兩臺設(shè)備的通訊端電源公共端連接在一起，形成了等電位連接，不會影響通訊質(zhì)量。但是這種連接方式是有前提條件的，美國TI公司提供的技術(shù)資料指出：“這種連接方式僅限于：設(shè)備的通訊電路與控制電路必須是隔離的，包括為這些電路所提供的電源也必須是隔離的，且沒有與局域地線、PE線連接。這就是說，每臺設(shè)備的通訊地是浮動的，它的通訊電路與其他任何控制電路不發(fā)生任何線路連接時，才可以采用這種方式?！?/p>

但是在工程中，產(chǎn)品供應(yīng)商并不提供產(chǎn)品原理圖，一般情況下，我們也無法了解內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，所以工程中這種連接方式危險性很大。

從另一角度講，實際工作情況并非理想狀態(tài)，通常情況下，DDC周邊會有很多電氣設(shè)備，這些設(shè)備的啟動、運行時都會對通訊設(shè)備造成干擾。如果將通訊線的屏蔽層兩端分別連接到兩臺設(shè)備通訊端的通訊地線上，便會使兩臺設(shè)備之間形成回路，造成通信號共模電壓發(fā)生變化。

假定外界干擾信號電壓為VD，通訊芯片接收A、B兩端所收到的信號即使不受到任何干擾，它的傳輸電壓沒有發(fā)生任何變化，但是它們各自對公共端的電壓則發(fā)生了變化，此時A點對通訊地的電壓 = VA+ VD；B點對通訊地的電壓= VB+ VD。

圖3 常用DDC通訊結(jié)構(gòu)

圖4 瞬間電壓抑制保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)干擾信號電壓VD在正常的共模電壓允許范圍內(nèi)，不會對通訊電路造成損壞，但是會造成誤碼率增加，使得通訊指令或數(shù)據(jù)反復(fù)傳送，影響通訊質(zhì)量，其結(jié)果是實際發(fā)生的通訊時間超過正常標(biāo)準(zhǔn)通訊時間。

當(dāng)干擾信號電壓VD超出正常的共模電壓范圍，便會使得通訊電路無法工作，通訊失敗，不能通訊。

當(dāng)干擾信號電壓VD超出通訊電路保護(hù)電壓范圍，則會擊穿通訊電路中用于保護(hù)的瞬間抑制二極管（見圖4），甚至擊穿通訊芯片，造成通訊電路損壞。

2 故障分析

工程中有時會遇到這樣一種情況：將通訊線屏蔽層的一端接通訊端子，另一端接PE。有人認(rèn)為這完全滿足單端接地的要求，這種想法是因為對通訊電路不了解所產(chǎn)生的。從圖3我們可以看到，如果將屏蔽層在Groud1處斷開，接PE1，便使得Groud2與PE1連接；通過建筑物的PE線與PE2連接，使得隔離電源兩端短路，造成隔離電源起不到隔離作用，使控制電路與通訊電路的隔離完全失效。只要一條鏈路上有一處出現(xiàn)這種問題，通過通訊芯片的A、B端，將造成所有在這條鏈路上的DDC的隔離功能失效。

這樣連接的危害是非常大的，由于PE線上的干擾電壓不但會造成共模電壓大大超過范圍和通訊電路擊穿，還會造成通訊電路隔離電源公共端與DDC設(shè)備地線間用于保護(hù)的瞬間抑制二極管擊穿。尤其是在TN-C的接地系統(tǒng)中，一旦接地系統(tǒng)發(fā)生故障，便會造成大面積的DDC損壞。

因此，具有“通訊地”專用端子的設(shè)備，通訊線的屏蔽層一端應(yīng)與該端子連接，或者與PE線連接，不能跨接兩個“地”。另外，屏蔽層的另一端不能與任何導(dǎo)體碰觸，否則，會出現(xiàn)通訊異常，甚至?xí)l(fā)生更加嚴(yán)重的情況。通常情況下，應(yīng)將通訊線的屏蔽層接“通訊地”專用端子，對沒有設(shè)置“通訊地”專用端子的設(shè)備，可將通訊線的屏蔽層接設(shè)備外殼或PE線。

以下是工程中常遇到的通訊故障情況：

1）通訊時間過長

這種情況通常是通訊線路質(zhì)量、布線或線路干擾所產(chǎn)生的。由于線間電容的影響造成波形畸變，或者是外界干擾使得通訊誤碼率增加，校驗不正確，迫使通訊多次重復(fù)。

2）打雷后通訊中斷

如果是通訊線的屏蔽層直接連接到設(shè)備外殼或PE線，雷電發(fā)生時，造成PE線上瞬間電壓無法迅速釋放，引起的地電位瞬間升高，擊穿瞬間抑制二極管和通訊芯片所致。

3）無法通訊

這種情況，大部分是由于接線錯誤所造成的。如前所述，通訊線的屏蔽層一端接設(shè)備的“通訊地”專用端子，屏蔽層的另一端接PE所致，造成與通訊電路相關(guān)的、用于保護(hù)的瞬間抑制二極管擊穿以及通訊芯片擊穿。

4）其他情況

在高濕、低溫等特殊氣候條件下，芯片工作性能發(fā)生變化，驅(qū)動能力不足致使通訊不正常。一般來說，工程中一條鏈路所帶DDC設(shè)備不應(yīng)超過芯片承載能力的70%，如設(shè)備標(biāo)出的通訊能力為32個，在工程上實際安裝數(shù)量不超過21個時為可靠狀態(tài)；如果實際數(shù)量超過21個，應(yīng)選擇驅(qū)動能力強的設(shè)備，或另外增加一條通訊鏈路。

3 結(jié)束語

通訊故障在每一個工程中都有可能發(fā)生，由于每個工程采用的設(shè)備、材料和工程現(xiàn)場都不相同，產(chǎn)生的原因也會有所差異。有些明顯故障只要認(rèn)真檢查可以直觀發(fā)現(xiàn)，有些隱性故障則不容易被發(fā)現(xiàn)；有時是單項原因，有時是綜合原因。通訊故障雖然不會造成重大經(jīng)濟損失，但是會影響控制系統(tǒng)的正常運行，其危害是不容忽視的。因此需要對每一種情況進(jìn)行具體分析，才能得出正確結(jié)論，徹底排除故障。

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