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干货 | RS-485总线可靠性设计参考及常见故障排查方法

2020-06-24

       现场总线技术作为自动化领域技术重点组成部分之一,被誉为自动化领域的计算机局域网,它是连接设置在控制现场的仪器仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它使传统的控制系统结构产生了革命性的变化,对自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进起着重要作用。


       RS-485作为最常用的现场总线技术采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,因其硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点被广泛应用于工厂自动化、工业控制、能源安全监测、水利自动报测等领域。但RS-485总线在一些设计及使用过程中的细节问题处理不当时也会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障,因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。


RS-485接口电路的硬件设计


1. 总线匹配    

方案一:在位于总线两端的差分端口,A+与B-之间跨接120Ω匹配电阻,减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声,抑制噪声干扰。但匹配电阻要消耗较大电流,不适用于功耗限制严格的系统;

方案二:比较省电的匹配方案是RC匹配,利用一只电容C隔断直流成分,可以节省大部分功率,但电容C的取值是个难点,需要在功耗和匹配质量间进行折中;

方案三:采用二极管匹配,利用二极管的钳位作用,迅速削弱反射信号达到改善信号质量的目的,节能效果显著。

2. RO及DI端配置上拉电阻    

       异步通信数据以字节的方式传送,在每一个字节传送之前,先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)产生负跳变,使接收端MCU进入接收状态,建议RO外接10kΩ上拉电阻。

3. 保证上电时芯片状态正确   

       对于收发控制端TC建议采用MCU引脚通过反相器进行控制,不宜采用MCU引脚直接进行控制,以防止MCU上电时对总线的干扰,保证系统上电时的RS-485芯片处于接收输入状态。

4. 总线隔离   

       RS-485总线为并接式二线制接口,一旦有一只芯片故障就可能将总线“拉死”,因此对其二线口A+、B-与总线之间应加以隔离。通常在A+、B-与总线之间各串接一只4~10Ω的PTC电阻,同时与地之间各跨接5V的TVS二极管,以消除线路浪涌干扰。如没有PTC电阻和TVS二极管,可用普通电阻和稳压管代替。

5. 合理选用芯片   

       设备使用场景可能会遇到强电磁(雷电)冲击时,建议选用防雷击芯片。

RS-485网络配置


1. 网络节点数    

       网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关,实际使用时,因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同,实际节点数均达不到理论值。通常推荐节点数按RS-485芯片最大值的70%选取,传输速率在1200~9600b/s之间选取。通信距离1km以内,从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离1km以上时,应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。

2. 节点与主干距离    

       理论上讲,RS-485节点与主干之间距离(T头,也称引出线)越短越好。T头小于10m。的节点采用T型,连接对网络匹配并无太大影响,可放心使用,但对于节点间距非常小(小于1m,如LED模块组合屏)应采用星型连接,若采用T型或串珠型连接就不能正常工作。

       RS-485是一种半双工结构通信总线,大多用于一对多点的通信系统,因此主机(PC)应置于一端,不要置于中间而形成主干的T型分布。


提高RS-485通信效率


       RS-485通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中,相对于RS-232等全双工总线效率低了许多,因此选用合适的通信协议及控制方式非常重要。

1. 稳态控制      

       总线稳态控制(握手信号)大多数使用者选择在数据发送前1ms将收发控制端TC置成高电平,使总线进入稳定的发送状态后才发送数据;数据发送完毕再延迟1ms后置TC成低电平,使可靠发送完毕后才转入接收状态。使用TC端的延时有4个机器周期已满足要求。

2. 传输质量    

       为保证数据传输质量,对每个字节进行校验的同时,应尽量减少特征字和校验字惯用的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码、尾码组成,每个数据包长度达20~30字节。在RS-485系统中这样的协议不太简练。推荐用户使用Modbus协议,该协议己广泛应用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中。


RS-485接口电路的电源、接地


       对于由MCU结合RS-485微系统组建的测控网络,应优先采用各微系统独立供电方案,最好不要采用一台大电源给微系统并联供电,同时电源线(交直流)不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0. 75平方毫米以上双绞线而不是平直线。对于每个小容量直流电源选用线性电源比选用开关电源更合适。


光电隔离


       在某些工业控制领域,由于现场情况十分复杂,各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式,具有一定的抗共模干扰的能力,但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压,即大于+12V或小于-7V时,接收器就再也无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离;通过光S将信号隔离,彻底消除共模电压的影响。

实现此方案的途径
  • 用光藕、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路;

  • 使用二次集成芯片。

RS-485系统的常见故障及排查方法


       RS-485作为一种低成本、易操作的通信系统,很适合自动化现场实施使用。但工业现场条件复杂、环境恶劣,在兼顾了规范设计和布线要求之后,依然可能出现一些故障情况,那么我们该如何去进行故障处理呢,下面向读者介绍一些维护RS-485的实用方法。

共地法:用1条屏蔽线将所有485设备的GND地连接起来,这样可以避免所有设备之间存在影响通讯的电势差。

终端电阻法:在最后一台485设备的A+和B-上并接120欧姆的终端电阻来改善通讯质量。

中间分段断开法:通过从中间断开来检查是否是设备负载过多,通讯距离过长,某台设备损害对整个通讯线路的影响等原因。

单独拉线法:单独简易暂时拉一条线到设备,这样可以用来排除是否是布线引起了通讯故障。

更换转换器法:随身携带几个转换器,这样可以排除是否是转换器质量问题影响了通讯质量。

笔记本调试法:先保证自己随身携带的电脑笔记本是通讯正常的设备,替换原有电脑,来进行通讯,假设可以,则表明原有电脑的串口有可能被损害或者故障。
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