RS-485總線可靠性設(shè)計(jì)參考
瀏覽次數(shù)：發(fā)布時(shí)間：2021-12-03
現(xiàn)場總線技術(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(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它是連接設(shè)置在控制現(xiàn)場的儀器儀表與設(shè)置在控制室內(nèi)的控制設(shè)備的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。它使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，對(duì)自控系統(tǒng)朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的方向邁進(jìn)起著重要作用。
RS-485作為最常用的現(xiàn)場總線技術(shù)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，因其硬件設(shè)計(jì)簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、工業(yè)控制、能源安全監(jiān)測、水利自動(dòng)報(bào)測等領(lǐng)域。但RS-485總線在一些設(shè)計(jì)及使用過程中的細(xì)節(jié)問題處理不當(dāng)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。
一、RS-485接口電路的硬件設(shè)計(jì)
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(yán)格的系統(tǒng)；
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(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(hào)達(dá)到改善信號(hào)質(zhì)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(shù)據(jù)以字節(jié)的方式傳送，在每一個(gè)字節(jié)傳送之前，先要通過一個(gè)低電平起始位實(shí)現(xiàn)握手。為防止干擾信號(hào)誤觸發(fā)RO(接收器輸出)產(chǎn)生負(fù)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(duì)于收發(fā)控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進(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(duì)總線的干擾，保證系統(tǒng)上電時(shí)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(duì)其二線口A+、B-與總線之間應(yīng)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(shí)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(shè)備使用場景可能會(huì)遇到強(qiáng)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(jié)點(diǎn)數(shù)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS-485芯片驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，實(shí)際使用時(shí)，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)不到理論值。通常推薦節(jié)點(diǎn)數(shù)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(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、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(yīng)考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
2. 節(jié)點(diǎn)與主干距離
理論上講，RS-485節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采用T型，連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)匹配并無太大影響，可放心使用，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)間距非常小(小于1m，如LED模塊組合屏)應(yīng)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(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)(PC)應(yīng)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(yīng)用于一對(duì)多點(diǎn)的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)中，相對(duì)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(xié)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(hào))大多數(shù)使用者選擇在數(shù)據(jù)發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)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(zhuǎn)入接收狀態(tài)。使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機(jī)器周期已滿足要求。
2. 傳輸質(zhì)量
為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字慣用的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包長度達(dá)20~30字節(jié)。在RS-485系統(tǒng)中這樣的協(xié)議不太簡練。推薦用戶使用Modbus協(xié)議，該協(xié)議己廣泛應(yīng)用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中。
四、RS-485接口電路的電源、接地
對(duì)于由MCU結(jié)合RS-485微系統(tǒng)組建的測控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案，最好不要采用一臺(tái)大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)供電，同時(shí)電源線(交直流)不能與RS-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)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(duì)于每個(gè)小容量直流電源選用線性電源比選用開關(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(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)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(dāng)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(shí)，接收器就再也無法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離；通過光S將信號(hào)隔離，徹底消除共模電壓的影響。
實(shí)現(xiàn)此方案的途徑：用光藕、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構(gòu)筑電路；使用二次集成芯片。
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