火災(zāi)自動報警系統(tǒng)常見總線故障處理探討

山東同圓設(shè)計集團有限公司 曹 濤

山東省青年管理干部學院總務(wù)處 張 蕾

現(xiàn)有火災(zāi)自動報警系統(tǒng)采用的總線技術(shù)種類較多，如RS-485、Profibus、Can總 線 等，鑒 于RS-485、Profibus、Can 總線所應(yīng)用的ISO/OSI的物理層采用的均為EIA的RS-485總線規(guī)范，本文將討論火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中基于RS-485的總線常見故障及其處理方法。

1 RS-485標準

EIA于1983年推出了適合遠距離數(shù)字通信的RS-485總線標準，這是一種支持多節(jié)點、遠距離、雙向通信的總線標準，適應(yīng)于集散控制系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域。如標準西門子變頻器MICOROMASTER4系列帶有串行接口，而串行接口采用RS-485雙線連接，可直接實現(xiàn)與控制設(shè)備的通信。

RS-485的數(shù)字信號采用差分傳輸方式，可以有效減小共模干擾，提高通信距離。最大傳輸距離約為4000ft（約合1219m），最大傳輸速率為10Mbps。RS-485網(wǎng)絡(luò)只有傳輸速率在100bps以下時才可能達到最大傳輸距離；只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率，如圖1所示。由于損耗與頻率有關(guān)，所以傳輸速率與傳輸距離約為反比關(guān)系，可用下面的經(jīng)驗公式進行計算：速率(bps)×距離(m)≤1×108bps·m

圖1 傳輸速率和傳輸距離的關(guān)系

RS-485組網(wǎng)采用二線方式時，采用一條雙絞線電纜作總線，將各節(jié)點串接起來，總線上可連接多達32臺設(shè)備。總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，以便引出線中的反射信號對總線信號的影響降到最小。否則，隨通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，原因在于信號在各支路末端反射后與原信號疊加，造成信號質(zhì)量的下降。當RS-485網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備多于2臺時，就必須采用半雙工方式進行通信，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收使用同一線路，發(fā)送時不允許接收數(shù)據(jù)進入線路，反之亦然。RS-485網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個設(shè)備是主設(shè)備，其余全部是從設(shè)備；或者無主設(shè)備，各個設(shè)備之間通過傳遞令牌獲得總線控制權(quán)。RS-485總線線路空閑（即不傳送信號），線路處于高阻（或掛起）狀態(tài)，這時RS-485總線線路就可以允許被其他設(shè)備占用。根據(jù)RS-485芯片的驅(qū)動能力不同，一個RS-485數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備可以驅(qū)動32臺256臺數(shù)據(jù)接收設(shè)備。

RS-485標準定義的其接口電路的特性：

·共 模電壓范圍在－7V～＋12V之間

·接 收器最小輸入阻抗為12MΩ

·輸入端電容不大于50pf

·接收器輸入靈敏度為±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示邏輯信號“0”；V+－V-≤-200mV表示邏輯信號“1”），如圖2所示。

2 RS－485總線的實現(xiàn)

圖2 RS-485接口信號示意圖

在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，RS-485半雙工異步通信串行總線廣泛使用于火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)的火災(zāi)報警控制器和分散控制單元（感溫探測器、感煙探測器、輸入輸出模塊等）之間，而往往分散控制單元數(shù)量較多，分布較遠，現(xiàn)場存在各種干擾，所以通信的可靠性不高。再加上軟硬件設(shè)計的不完善，使得實際工程應(yīng)用中如何保障RS-485總線的通信的可靠性成為一個關(guān)鍵的問題。我們對影響RS-485總線通信的可靠性因素做出總結(jié)，對RS-485總線采取了如下的改進措施。

2.1 傳輸線選擇和阻抗匹配

由于雙絞線價格低廉，使用方便，在差分平衡系統(tǒng)中，一般選擇雙絞線作為信號傳輸線。RS-485信號線宜選用截面積0.75mm2以上的雙絞線，并且此信號線不能與電源線（交直流）共用一股多芯電纜。系統(tǒng)安裝時應(yīng)盡量做到傳輸線單獨敷設(shè)，不與交流動力線一起鋪設(shè)在同一條電纜橋架或電纜溝中。強信號線與弱信號線避免平行走向，盡量使二者正交。如若難以實現(xiàn)，也要盡量使信號線離干擾線遠一些，一般認為兩者的距離應(yīng)為干擾線內(nèi)徑的40倍以上。

圖3 二線網(wǎng)絡(luò)的終結(jié)電阻匹配

雙絞線兩條線基本對稱，外界干擾噪聲主要以共模方式出現(xiàn)，對接收器的差動輸入影響不大。但是，通信過程中，阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配均有可能導致通信電纜中的信號反射。阻抗不連續(xù)或阻抗不匹配產(chǎn)生的反射信號將可能觸發(fā)接收器輸入端，使接收器收到錯誤信號，導致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤，從而影響了整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點就會發(fā)生信號的反射。下面幾種情況容易產(chǎn)生這種不連續(xù)性：總線的不同區(qū)段采用了不同電纜；或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝；或者是過長的分支線引出到總線。總之，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。在通訊波特率比較高的時候或在工業(yè)環(huán)境下使用時建議裝設(shè)終結(jié)電阻。

衡量反射信號強度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。計算公式如下：

式中：Vref—反射信號的電壓大小；

Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。

通信過程中，對于這種阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配的狀況，通常采用加偏置電阻的方法來改善。由于通信載體一般為雙絞線，而雙絞線的特性阻抗一般在110Ω～130Ω之間，通常在傳輸線的始端、末端各接一個120Ω的電阻進行阻抗匹配，以減小線路上傳輸信號的反射。但此匹配電阻要消耗較大的電流，不適用于功耗限制嚴格的系統(tǒng)。以二線網(wǎng)絡(luò)為例，終結(jié)電阻的接法如圖2所示。目前也已經(jīng)有把終結(jié)電阻集成在通信卡上的例子，如ADLINK公司的PCI-C485、C422串行通訊卡、ADVANTECH公 司 的PCI-1601、1602串行通訊卡，可以根據(jù)自己的需要直接通過對跳線的設(shè)置來接入終結(jié)電阻。

另外一種比較省電的匹配方式是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的取值要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折中。

還有一種采用二極管的匹配方法。這種方法雖未實現(xiàn)真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用能迅速削弱反射信號，達到改善信號質(zhì)量的目的，節(jié)能效果顯著。

2.2 共模干擾問題

某些工控領(lǐng)域，由于現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用差分方式傳輸，具有一定的抗干擾能力，系統(tǒng)只需要檢測兩線之間的電位差就可以了。RS-485的共模電壓范圍是－7V～＋12V，當網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠性，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設(shè)備。

可以通過各微系統(tǒng)獨立供電的方案DC-DC將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器的電源隔離，徹底消除共模電壓的影響。可以選擇帶光電耦合、帶隔離DC-DC 的RS-485芯片構(gòu)筑電路。

另外，發(fā)送器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，對整個RS-485網(wǎng)絡(luò)就必須有一條低阻的信號地將兩個接口的信號地連接起來，使共模干擾電壓被短路。這條信號地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），也可以是屏蔽雙絞線的屏蔽層。

2.3 錯誤狀態(tài)保護

RS-485標準規(guī)定接收器輸入 靈 敏 度 為±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示邏輯信號“0”；V+－V-≤-200mV表示邏輯信號“1”），這樣能夠提供比較高的噪聲抑制能力。但在這兩個狀態(tài)之外，總線上無信號傳輸時發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”和“0”的第三態(tài)。由于第三態(tài)的存在，主機在發(fā)完一個信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，即總線空閑時沒有任何信號驅(qū)動總線，使A、B之間的電壓在-200mV～ ＋200mV直 至 趨 于0V。這就導致接收器輸出狀態(tài)不穩(wěn)定，如果此時接收器輸出為邏輯“0”，網(wǎng)絡(luò)中的分機將把它作為一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)。由于永遠不會有停止位，產(chǎn)生一個幀錯誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)將可能陷于癱瘓。總線空閑、開路或短路時也會出現(xiàn)這種情況。

為避免接收器處于不確定狀態(tài)，通常的做法是將總線進入空閑狀態(tài)時拉離“0”狀態(tài)，偏置在一個確定的狀態(tài)。可以采用在RS-485總線的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，可將A上拉到地，B下拉到5V，電阻的典型值是1kΩ，如圖4。

圖4 偏置電阻的接法

2.4 瞬態(tài)保護

實際應(yīng)用中，一般在切換大功率感性負載如電動機變壓器繼電器等或閃電過程都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以防護就會損壞RS-485通信接口。對這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

（1）隔離保護方法。這種方法實際上是將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用，通常采用高頻變壓器、光電耦合等元器件實現(xiàn)接口的電氣隔離。現(xiàn)已有廠商將這些元件集成在一片IC中，使用起來非常方便，缺點是成本較高。

（2）旁路保護方法。這種方案利用瞬態(tài)雜波抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本低，缺點是保護能力有限，持續(xù)時間短，而且需要一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。

3 故障處理

3.1 RS-485常出現(xiàn)的硬件問題

RS-485經(jīng)常出現(xiàn)的硬件問題是連線的極性接反。正確地連接DATA＋和DATA-,都是非常重要的。DATA＋和DATA-有時候標記為P＋和N-或者是A和B。

3.2 RS-485總線上掛接設(shè)備的地址

RS-485總線上掛接設(shè)備的地址必須是唯一的。設(shè)備總是在對總線進行監(jiān)聽，而且在識別標志和校驗正確無誤時，始終對合法的信息予以應(yīng)答，只有對廣播信息例外，廣播方式時，無設(shè)備予以應(yīng)答。可以用示波器觀測總線。

3.3 采用各微系統(tǒng)獨立供電方案

為消除共模干擾采用各微系統(tǒng)獨立供電方案，最好不要采用一臺大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)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。

3.4 S-485是什么結(jié)構(gòu)的通信總線

RS-485是一種半雙工結(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對多點的通信系統(tǒng)，因此主機（PC）應(yīng)置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布。RS-485節(jié)點與主干之間距離（T頭，也稱引出線）越短越好。通信距離1km以上時，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。

4 結(jié)語

深入研究各種火災(zāi)自動報警系統(tǒng)總線工作方式，合理規(guī)范設(shè)計，避免常見問題的發(fā)生，使火災(zāi)自動報警系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的工作。

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