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如何提高可燃氣體報警器總線可靠性的方法及常見故障處理
作者: 來源: 發布日期:2018-08-21
在要求通信距離為幾十米到上千米時,廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度,能檢測低至200mV的電壓,故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式,任何時候只能有一點處于發送狀態,因此,發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯網構成分布式系統,其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。
在MCU之間中長距離通信的諸多方案中,RS-485因硬件設計簡單、控制方v便、成本低廉等優點廣泛應用于工廠自動化、工業控制、小區監控、水利自動報測等領域。但RS-485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷,一些細節的處理不當常會導致通信失敗甚至系統癱瘓等故障,因此提高RS-485總線的運行可靠性至關重要。
一、RS-485接口電路的硬件設計
1、總線匹配
總線匹配有兩種方法,一種是加匹配電阻,如圖1a所示。位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應跨接120Ω匹配電阻,以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲,有效地抑制了噪聲干擾。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。
另外一種比較省電的匹配方案是RC 匹配(圖2 )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的取值是個難點,需要在功耗和匹配質量間進行折衷。除上述兩種外還有一種采用二極管的匹配方案(圖3),這種方案雖未實現真正的匹配,但它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量的目的,節能效果顯著。
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,在每一個字節傳送之前,先要通過一個低電平起始位實現握手。為防止干擾信號誤觸發RO(接收器輸出)產生負跳變,使接收端MCU進入接收狀態,建議RO外接10kΩ上拉電阻。
3、保證系統上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態
對于收發控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進行控制,不宜采用MCU引腳直接進行控制,以防止MCU上電時對總線的干擾,如圖4所示。
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",因此對其二線口VA、VB與總線之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻,同時與地之間各跨接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,可用普通電阻和穩壓管代替。
5、合理選用芯片
例如,對外置設備為防止強電磁(雷電)沖擊,建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片,對節點數要求較多的可選用SIPEX的SP485R.
二、RS-485網絡配置
1、網絡節點數
網絡節點數與所選RS-485芯片驅動能力和接收器的輸入阻抗有關,如75LBC184標稱最大值為64點,SP485R標稱最大值為400點。實際使用時,因線纜長度、線徑、網絡分布、傳輸速率不同,實際節點數均達不到理論值。例如75LBC184運用在500m分布的RS-485網絡上節點數超過50或速率大于9.6kb/s時,工作可靠性明顯下降。通常推薦節點數按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以內,從通信效率、節點數、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時,應考慮通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高數據傳輸可靠性。
2、節點與主干距離
理論上講,RS-485節點與主干之間距離(T頭,也稱引出線)越短越好。T頭小于10m的節點采用T型,連接對網絡匹配并無太大影響,可放心使用,但對于節點間距非常小(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,大多用于一對多點的通信系統,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的主從應答式通信系統中,相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多,因此選用合適的通信協議及控制方式非常重要。
1、總線穩態控制(握手信號)
大多數使用者選擇在數據發送前1ms將收發控制端TC置成高電平,使總線進入穩定的發送狀態后才發送數據;數據發送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平,使可靠發送完畢后才轉入接收狀態。據筆者使用TC端的延時有4個機器周期已滿足要求;
2、為保證數據傳輸質量,對每個字節進行校驗的同時,應盡量減少特征字和校驗字
慣用的數據包格式由引導碼、長度碼、地址碼、命令碼、數據、校驗碼、尾碼組成,每個數據包長度達20~30字節。在RS-485系統中這樣的協議不太簡練。推薦用戶使用MODBUS協議,該協議已廣泛應用于水利、水文、電力等行業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絡,應優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供電,同時電源線(交直流)不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對于每個小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關電源更合適。當然應注意LM7805的保護:
- 1、LM7805輸入端與地應跨接220~1000μF電解電容;
- 2、LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極管;
- 3、LM7805輸出端與地應跨接470~1000μF電解電容和104pF獨石電容并反接1N4007二極管;
- 4、輸入電壓以8~10V為佳,最大允許范圍為6.5~24V.可選用TI的PT5100替代LM7805,以實現9~38V的超寬電壓輸入。
五、光電隔離
在某些工業控制領域,由于現場情況十分復雜,各個節點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RS-485接收器的極限接收電壓,即大于+12V或小于-7V時,接收器就再也無法正常工作了,嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。
解決此類問題的方法是通過DC-DC將系統電源和RS-485收發器的電源隔離;通過光耦將信號隔離,徹底消除共模電壓的影響。實現此方案的途徑可分為:
1、用光耦、帶隔離的DC-DC、RS-485芯片構筑電路;
2、使用二次集成芯片,如PS1480、MAX1480等。
六、RS-485系統的常見故障及處理方法
485總線由于其布線簡單,穩定可靠從而廣泛的應用于視頻監控,門禁對講,樓宇報警等各個領域中,但是,在485總線布線過程中由于有很多不完全準確的概念導致出現很多問題。現在將一些錯誤的觀念作出一些澄清。
- 1.485信號線可以和強電把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源">電源</a>線一同走線。在實際施工當中,由于走線都是通過管線走的,施工方有的時候為了圖方便,直接將485信號線和電源線綁在一起,由于強電具有強烈的電磁信號對弱電進行干擾,從而導致485信號不穩定,導致通信不穩定
- 2.485信號線可以使用平行線作為布線,也可以使用非屏蔽線作為布線。由于485信號是利用差模傳輸的,即由485+與485-的電壓差來作為信號傳輸。如果外部有一個干擾源對其進行干擾,使用雙絞線進行485信號傳輸的時候,由于其雙絞,干擾對于485+,485-的干擾效果都是一樣的,那電壓差依然是不變的,對于485信號的干擾縮到了最小。同樣的道理,如果有屏蔽線起到屏蔽作用的話,外部干擾源對于其的干擾影響也可以盡可能的縮小。
- 3.選擇使用普通的超五類屏蔽雙絞線即網線就可以。由于原材料價格上漲,導致現在市場上的線材魚龍混雜,有不良商人利用某種合金來頂替銅絲來做網線,在外面鍍銅以蒙混客戶。具體區別方法:看網線截面,如果是銅色的話,就是銅絲,如為白色,則是用合金以次充好。合金一般比較脆,容易斷,而且導電性遠不如銅絲,很容易在工程施工中造成問題。線材一般那建議選擇標準的485線,其為屏蔽雙絞線,傳輸線不是像網線那樣為單股的銅絲,而是多股銅絲絞在一起形成一根線,從而即使某根小銅絲斷掉,也不會影響整個的使用。
- 4.485布線可以任意布設成星型接線與樹形接線。485布線規范是必須要手牽手的布線,一旦沒有借助485集線器和485中繼器直接布設成星型連接和樹形連接,很容易造成信號反射導致總線不穩定。很多施工方在485布線過程中,使用了星型接線和樹形接線,有的時候整個系統非常穩定,但是有的時候則總是出現問題,又很難查找原因,一般都是由于不規范布線所引起的。如果由于現場的限制,必須要進行星型連接或者樹形連接,可以使用深圳市富永通科技有限公司的485集線器和485中繼器解決相關問題,相關參考頁面如下:485總線星型連接,485總線樹形拓撲結構。
- 5.485總線必須要接地。在很多技術文檔中,都提到485總線必須要接地,但是沒有詳細的提出如何接地。嚴格的說,485總線必須要單點可靠接地。單點就是整個485總線上只能是有一個點接地,不能多點接地,因為將其接地是因為要將地線(一般都是屏蔽線作地線)上的電壓保持一致,防止共模干擾,如果多點接地適得其反。可靠接地時整個485線路的地線必須要有良好的接觸,從而保證電壓一致,因為在實際施工中,為了接線方便,將線剪成多段再連接,但是沒有將屏蔽線作良好的連接,從而使得其地線分成了多段,電壓不能保持一致,導致共模干擾。
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