基于RS-485總線信號的可靠性研究

高志國

(中原油田勘探研究設計院,河南濮陽 457001)

0 引 言

由于其物理結構,在化工企業復雜電磁環境的通信過程中需要解決節點間存在的相互干擾問題,以此提高系統的可靠性。

1 傳統RS-485總線型模式的弊端

現有的RS-485總線型接入模式,造成節點間的相互干擾對總線產生影響。總線上所有的下位機共享一個信號通道,這種物理結構增加了節點間的公共阻抗耦合,節點之間產生相互干擾,因此在很大程度上降低了系統的可靠性。

首先,大功率的電氣設備及輸電線都會在附近的通信線上感應出干擾電壓,對RS-485總線上某一節點電壓進行測量的結果見表1所列。

表1 傳統型RS-485總線干擾電壓測量

從表1測量結果顯示:節點間的電磁耦合對感應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電壓可認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,節距也不盡相等,所以線間會出現差模電壓。RS-485驅動/接收器接收到2.0 V電壓時就會動作。因此,節點間的相互干擾增加了共模電壓數值以及出現差模信號的比例,從而增大系統誤動作的概率。

其次,大功率電氣設備開關動作時將產生瞬變電磁場,附近或者與之相連節點的信號線上的瞬間感應電壓/電流均遠高于RS-485驅動/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點的驅動/接收器,更危險的情況是,總線上其他節點將通過公共回路的耦合,必然感應出相同幅值的高壓,使總線上所有的節點都受到影響。

最后,中控室外通信電纜屏蔽層會由于自然磨損、施工不當或惡意破壞等因素,出現兩根通信線短接,致使總線一直處于邏輯 0的狀態。根據RS-485協議,下位機把其解釋為一個新的數據起始位并且試圖讀取后續的數據位,由于永遠不會有停止位,這便會產生一個幀錯誤檢測結果,因此也就不會再有節點請求總線,網絡將陷于癱瘓狀態。

2 RS-485 HUB星型總線的解決方法

盡管可以通過改善企業現場工作環境,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總線的穩定性,但是,沒有從根本上隔離出現故障的節點,整個總線系統都將無法工作,因此只有提高總線自身的可靠性,才能保證系統穩定工作。基于此,該文所提出的RS-485 HUB星型總線一方面從物理結構上完全隔離節點,同時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,采用與下位機數目相同的RS-485驅動/接收器,分別與所有節點一一對應,各自獨立完成該節點的發送/接收數據包的任務。首先,HUB上的單片機截獲上位機發送的數據包,進行地址確認后,控制 HUB中與這個地址節點相對應的 RS-485驅動器相應輸出端,再將截獲的數據包原封不動地發送給驅動器,發送完成后,自動將驅動器轉換為接收器,等待下位機的反饋信息。HUB中其他RS-485驅動/接收器的輸出端沒有收到控制指令,不改變狀態,只有選通的節點獨立通信。結構示意如圖1所示。

圖1 RS-485 HUB星型結構示意

采用RS-485 HUB星型結構總線后電壓值測量見表2所列。

表2 RS-485 HUB星型結構總線干擾電壓測量

從表2電壓測量值中可以看到,RS-485 HUB中節點之間的干擾明顯減小,物理隔離保證了節點的獨立性。經過試驗驗證,RS-485 HUB中即使某節點發生短路故障,其他節點仍能正常工作。因此,RS-485 HUB星型總線保證了當一路節點出現強電磁干擾或短路問題時,不會影響總線的其他節點,系統的可靠性得到改善。

2.2 軟件設計

在程序中加入信息的多重判斷、自動檢驗、系統運行狀態監視與發生故障時的自動恢復等語句,一旦出現差模干擾導致的誤碼和亂碼,經過程序辨別后可以直接屏蔽。為了防止干擾導致程序失控陷入死循環,采用時間監視器,監控程序的運行以及單片機的電源供電。軟件流程如圖2所示。

圖2 RS-485 HUB軟件設計流程示意

3 結束語

RS-485 HUB星型總線不同于傳統意義上的RS-485總線,就其物理結構而言,每個RS-485驅動/接收器并沒有實現一發多收的總線功能,而是以點對點的星型連接實現了RS-485 HUB的功能,該方案中系統可靠性的提高是以增加RS-485驅動/接收器的數量為代價的。但是,RS-485HUB結構簡單,對工作環境要求不高,其高可靠性和穩定性特別適用于化工企業監控系統這種遠程控制系統,因此就其性價比而言,超過了傳統的RS-485總線。RS-485 HUB星型總線已經運用在一些化工企業遠程控制系統中,運行穩定,抗干擾能力較以前有所提高,可以滿足現場要求,具有廣泛的應用前景。

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