RS485结构原理

RS485的工作原理RS485的概念RS485的信号传输原理RS485的网络特性及分析接口保护原理及故障分析RS485网络故障判断方法报警系统的工作原理网络结构介绍6711、6801、终端的信号传输介绍终端报警防区的工作原理对讲系统的工作原理网络结构控制系统原理对讲分机及网络RS485控制方式对讲系统网络地址定义音频、视频切换原理对讲系统干扰分析及解决办法RS485干扰引起的噪音地电位引起的干扰噪音外界辐射引起的干扰噪音系统的技术要求电源配置及供电电缆的计算方法技术手册内容简介RS485的概念•RS-485是一个电气接口规范它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件传输电缆和通信协议。•RS-485建议性标准作为一种多点差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一，这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的，因此许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路，它是一种极为经济并具有相当高的噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS-485是一种在工业上作为数据交换的手段而广泛使用的串行通信方式，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，因此具有较强的抗干扰能力。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负对称的两条线路（即我们常说的A、B信号线），当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态；另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接收器也与发送端相对的电平逻辑规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间(DT)＝(D+)-(D-)有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负对称的两条线路（即我们常说的A、B信号线），当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原来的信号标注为(DT)，而被分解后的信号分别标注为(D+)和(D-)，则原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的运算关系如下：(DT)=(D+)-(D-)同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成原来的样子。如果此线路受到干扰时，在两条传输线上的信号会分别成为（D+）+Noise和（D-）+Noise,如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，合成的方程式如下：(DT)=[(D+Noise)]-[(D-)+Noise]＝(D+)-(D-)此方程与前一方程式的结果是一样的，干扰信号被抵消。因此在RS-485网络传输中要求两根信号线缆必须进行对绞，进一步降低信号的共模干扰。线缆的双绞要求及抗干扰原理阻抗匹配及手拉手方式要求（通信电缆中的信号反射）在通信过程中，有两种情况会导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图1所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，如图2所示。从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。总线匹配有两种方法，一种是加匹配电阻，如图1a所示。位于总线两端的差分端口VA与VB之间应跨接120Ω匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰。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。另外一种比较省电的匹配方案是RC匹配（图2）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衷。除上述两种外还有一种采用二极管的匹配方案（图3），这种方案虽未实现真正的匹配，但它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。在QSA网络中每一支路的RS-485支持256个通讯设备（6711或终端）。网络拓扑一般采用总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：在每一个分支中采用一条双绞线电缆作总线，将各个通讯设备手拉手串接起来，从总线到每个通讯设备的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。如图3所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，b，c）和正确的连接方式（d，e，f）。a、b、c这三种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。抗雷击和抗静电冲击RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许-7～+12V，超过此范围的过压瞬变就可能损坏器件，引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，例如人体接触芯片的引脚而产生静电放电，其电压可以高达数十千伏，可使在工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而感应雷在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量更可在瞬间烧毁联结传输线上的全部器件！在构成RS-485总线网时，采用双绞线作传输线，传输线一般在室外沿电缆沟敷设，在雷雨季节常发生因雷电在传输线上引起的瞬变干扰而损坏器件，再者由于RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即通常采用一条总线将各个节点串接起来，因此，雷电的引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏，故防雷措施是RS-485技术实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性一个十分重要的措施。目前我们使用485防雷管为基础构建初级和次级的两级防雷电路，可以实现对RS485接口的整体防雷击和过压保护。图中F1/F2/F3为485防雷管，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护，485防雷管的快速反应特性使雷击过电压被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保证泄放过程中防雷管自身不被损坏。泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，此电压幅值随电路和器件选择而有所不同，约在数十伏到数百伏之间，宽度在数十纳秒到数百纳秒，由于脉宽窄，所以能量不大。次级保护使用的是TVS管，其作用就是将以上所述的尖峰电压吸收掉，可靠地箝位在安全电压范围内。图中的R24/R29选用小型电阻，它承受很大的瞬态功率，其作用是为电路提供隔离。该电路在防雷击过压的基础上形成了对RS485的整体防护。RS-485的接地问题接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定工作甚至危及系统安全。RS-485传输网络的接地同样也是很重要的，因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格，否则接口损坏率较高。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患。共模干扰问题：RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，如RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。那么，接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。虽然RS-485标准规定VOS≤3V，但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做“共模”和“差模”。设备的通讯线路有两根导线，这两根导线作为往返线路输送RS485信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。那么前者叫“差模”，后者叫“共模”。由于上述原因，RS-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线）或者是屏蔽双绞线的屏蔽层（但抗干扰能力将下降），分别连接两头网络设备的网络平衡线接口。值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信。一般采取以下措施：如果干扰源内阻不是非常小，可以在接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范围内就不会影响正常通信。采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，公司目前的系统就是采用这种方式。当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点（例如处于恶劣的工作环境的现场设备）浮置起来（也就是系统的电路地与机壳或大地隔离），这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。RS485网络故障判断方法RS-485是一种低成本、易操作的通信系统，但是稳定性弱同时相互牵制性强，通常有一个网络设备出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断。•系统基本正常但偶尔会出现通信失败（一般为远离主动方设备的从动设备），存在着时有时无甚至无法正常通讯的现象。一般是由于网络施工不合理导致系统可靠性处于临界状态，需要重点检查网络结构、线缆及网络的阻抗匹配等，可能需要改变走线或增加中继模块；•若出现整个网络节点的通讯不正常，应该首先怀疑主动方的网络设备是否正常，一般可通过设备直联等方法进行通讯测试，进一步判断故障原因是在主动方设备上还是与主动方设备相连的网络上；•若出现系统完全瘫痪，大多因为某网络设备通讯芯片的VA、VB对电源击穿，使用万用表测VA、VB间差模电压为零，而对地的共模电压大于3V，此时可通过测共模电压大小来排查，共模电压越大说明离故障点越近，反之越远；•总线上连续几个网络设备不能正常通讯。一般是由其中的一个网络设备通讯故障导