基于RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成與通信可靠性分析

1、基于RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成與通信可靠性分析【摘要】本文通過本臺的工程實踐介紹了通信傳輸采用RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的不同組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點比較，對監(jiān)控系統(tǒng)通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性進(jìn)行分析并提出合理的解決方案?！娟P(guān)鍵字】RS-485，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，穩(wěn)定性，可靠性 RS-485標(biāo)準(zhǔn)簡介RS485標(biāo)準(zhǔn)全稱為TIA/EIA-485-A，是由美國電子業(yè)協(xié)會(EIA)于1983年制定并發(fā)布。RS485標(biāo)準(zhǔn)是在RS-422標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展而來，RS422標(biāo)準(zhǔn)彌補(bǔ)RS232通信距離短、傳輸速率低、只能點對點傳輸?shù)热秉c定義了一種平衡通信接口，將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Mps，傳輸

2、距離最大可至1200m（通信速率低于100Kps），并允許在一條總線上最多連接10接收器，它的工作方式為單機(jī)發(fā)送多機(jī)接收的單向傳輸規(guī)范。RS485接口標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)電平范圍，隨后又在它的基礎(chǔ)上增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器同時工作在一條總線上，并增加了發(fā)生器的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線的共模范圍。RS485只是一個電器接口方案，它只規(guī)定的接口的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通訊協(xié)議。RS485標(biāo)準(zhǔn)定義了一基于一對平衡雙絞線的多點、雙向通信鏈路，是一個具有較強(qiáng)抗共模干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高并具有相當(dāng)高的噪聲抑制的通信平臺。RS-485接口在廣播電視發(fā)射

3、機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及它在工程實踐日益廣泛的應(yīng)用，一個監(jiān)控系統(tǒng)往往由多部功能迥異的設(shè)備組成，這就存在分散、多站、遠(yuǎn)距離通信問題。數(shù)據(jù)傳輸接口RS-485工作在七層ISO網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的第一層“數(shù)據(jù)鏈路層”，能用一對雙絞線實現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它組網(wǎng)設(shè)備簡單、靈活、價格低廉，在目前的廣播電視監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的運用。 但是在廣播電視發(fā)射臺這種復(fù)雜電磁環(huán)境中，影響數(shù)據(jù)幀傳輸中出錯的主要有三方面原因，一是不正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?dǎo)致的不同終端的數(shù)據(jù)干擾，二是組成RS-485信號隨著傳輸距離和信號傳輸速率的提高在線路上產(chǎn)生反射、衰減、串?dāng)_、共地噪聲引起的信號畸變與雷電、靜電等造成485通信的中

4、斷甚至設(shè)備485接口損壞使整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，三是由于屏蔽不良導(dǎo)致的誤碼。計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成為有而不用、不能用、華而不實的雞肋系統(tǒng)。因此解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊故障使計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠的工作是能否真正、有效的實現(xiàn)發(fā)射設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控、遠(yuǎn)程監(jiān)視的關(guān)鍵節(jié)點。我臺發(fā)射機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的幾個工程實踐分析一、 總線型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)圖如一、二【表一】設(shè)備RS485引腳定義：DB9M235RS485DATA+DATA-GND【表二】RS485轉(zhuǎn)接頭引腳定義：DB9M1234RS485DATA+DATA-GND+9V本例是本臺搭建的實驗網(wǎng)絡(luò),主要目的是驗證方案的可行性。它的特點是總線結(jié)構(gòu)，組成簡單，僅采用一根CAT5

5、網(wǎng)線，一個485/232轉(zhuǎn)接頭構(gòu)成系統(tǒng)，CAT5網(wǎng)線中每對雙絞線連接一臺發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)的類型有電視、調(diào)頻，最遠(yuǎn)設(shè)備距離20米。發(fā)現(xiàn)的問題：（1）信號干擾嚴(yán)重，用示波器看波形有嚴(yán)重的高頻干擾和接地噪聲干擾且無法消除，嚴(yán)重時導(dǎo)致信號中斷，甚至系統(tǒng)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性差。 （2）各發(fā)射機(jī)之間有相互干擾現(xiàn)象，觀察到發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)頻頻重啟現(xiàn)象。解決的方法：在每個設(shè)備485接口處接120匹配電阻。結(jié)論：RS-485 接口所構(gòu)成的通信鏈路。采用終端匹配總線型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴恢С汁h(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應(yīng)盡量短，將引出線中的反射信號對總線信號的

6、影響降至最低。圖一所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵嶋H上是不恰當(dāng)?shù)模▓D二是圖一的等效網(wǎng)絡(luò)）該網(wǎng)絡(luò)連接盡管在短距離、低速率情況下仍然可以工作，但隨著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(yán)重，導(dǎo)致誤碼甚至信號被噪聲淹沒而中斷。主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加造成信號質(zhì)量下降。除此之外還應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點也會發(fā)生信號的反射。例如，總線的不同區(qū)段采用不同電纜，或者是有過長分支線引出總線時都會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點?？傊?，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號通道作為總線。 二、 星型網(wǎng)絡(luò) 1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖三圖三隨著近年來機(jī)房發(fā)射設(shè)備的成倍增加，機(jī)房的電磁環(huán)境日益復(fù)雜該系統(tǒng)的一些缺點也突

7、出的顯現(xiàn)出來，如多機(jī)并聯(lián)所帶來的總線數(shù)據(jù)干擾、并聯(lián)結(jié)構(gòu)中任一接口單元短路帶來整個系統(tǒng)癱瘓、RS485接口驅(qū)動能力不足、硬件連接不靈活、關(guān)系節(jié)點多等一系列問題。以串口服務(wù)器為核心的網(wǎng)絡(luò)升級改造徹底的解決了原有系統(tǒng)的缺點。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由總線型改為星型，改數(shù)據(jù)傳輸由低層的物理鏈路層至網(wǎng)絡(luò)/傳輸層，傳輸協(xié)議采樣通用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP協(xié)議，使得具有RS485接口的發(fā)射設(shè)備就如同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的DTE(數(shù)據(jù)終端)，設(shè)備接入退出自如、組網(wǎng)靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠，同時能靈活的采樣適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)更方便的實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)視與控制。2、串口服務(wù)器的規(guī)劃設(shè)置串口網(wǎng)絡(luò)設(shè)置IP：27.12.94.2MASK:255.2

8、55.255.0GATE:27.12.94.1端口設(shè)置：1-16口 REAL REPORT 485工作模式 3、程序服務(wù)器設(shè)置控制面板COM port over TCP/IP進(jìn)行對串口服務(wù)器端口的映射。（如圖四）圖四4、 復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾措施。RS485接口雖采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，抗噪聲干擾性好，但由于機(jī)房中的電磁環(huán)境復(fù)雜，強(qiáng)電磁環(huán)境可能在傳輸線上產(chǎn)生足以淹沒RS485信號的共模信號，為此采樣帶屏蔽的超五類雙絞線做為數(shù)據(jù)連線，連接方式上采樣雙絞線連接（接口定義見下表），這些措施有效的遏制了共模干擾對信號傳輸?shù)挠绊憽！颈砣堪l(fā)射機(jī)與串口服務(wù)器連接接口定義RJ4

9、5序號12345678顏色橙白綠白橙綠藍(lán)白藍(lán)棕白棕RS485DATA+DATA-GNDDB9M235影響RS485通訊的可靠性四個因素與對策1、 通信電纜中的信號反射問題信號在傳輸?shù)倪^程中有兩個原因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)與阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線的末端突然遇到電纜的阻抗很小甚至沒有，信號在此處就會引起反射。這就如同發(fā)射設(shè)備中由于終端不匹配所產(chǎn)生反射的原理一樣，解決這一問題就是采取“匹配”措施，方法是電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻（120），如圖五所示。圖五

10、從理論上分析，傳輸線的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻就不會有發(fā)射現(xiàn)象，但在實際工程現(xiàn)場中由于應(yīng)用環(huán)境終端電阻不可能和傳輸線特性阻抗完全一致，因此在傳輸線上或多或少的信號反射還會存在。阻抗不匹配指的是傳輸線與485接口輸入/輸出電阻的不匹配。這種原因引起的反射主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的混亂。信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導(dǎo)致CRC校驗錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應(yīng)用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。

11、圖六RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：（如圖六）（1） 把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個收發(fā)器都加了一個偏置電壓。（2） 在一段總線上只用一對偏置電阻。這種方法對總線上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載，減少了系統(tǒng)中節(jié)點的數(shù)目。2、 通信電纜的衰減問題一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路（圖七），電纜的分布電容主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。當(dāng)傳輸線足夠短時其等效電阻影響很小可以忽略不計，信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感

12、組成的LC低通濾波器。分布電容對總線傳輸性能的影響，主要是因為總線上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?，信號的表達(dá)方式只有1和0。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號0使得分布電容有足夠的充電時間，而信號1到來時，由于分布電容中的電荷，來不及放電，接收器VAB還大于200mV，結(jié)果使接收器誤認(rèn)為是0，而最終導(dǎo)致CRC校驗錯誤，整個數(shù)據(jù)幀傳輸錯誤。圖七解決這個問題有兩種方法：（1） 降低數(shù)據(jù)傳輸波特率（2） 采用分布電容小的電纜，提出傳輸質(zhì)量。3、 系統(tǒng)的接地問題簡單方式中，RS-485 網(wǎng)絡(luò)僅需要 2 根信號線（A 和 B）即可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。但在一些特殊的應(yīng)用場合，例如各個RS-485節(jié)點的地電壓存在較大

13、偏差的情況下，需要將地信號作為傳輸網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一根導(dǎo)線。電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因為接地系統(tǒng)不合理會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對于接地的要求更為嚴(yán)格，否則接口器件的損壞率較高。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來，而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但很多時候共模干擾問題無法解決。RS-485 接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照

14、點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485 收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)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，甚至損壞接口器件。 以圖八為例，當(dāng)發(fā)送發(fā)送器 A 向接收器 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送發(fā)送器 A 的輸出共模電壓為 VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差 VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓 VCM就會達(dá)到 VCM=VOS+VGPD。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定 VOS3V，但 VGPD可能會有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號，致

15、使接收器共模輸入 VCM 超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。圖八所以RS-485接口盡管采用差分平衡的傳輸方式傳送數(shù)據(jù)，但對整個RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號地，將共模干擾VGPD短路。對內(nèi)阻高的共模干擾通常的做法是將接口用一額外的線短接（非屏蔽雙絞線）或用屏蔽雙絞線的屏蔽層作為地線。但對于內(nèi)阻較小的共模干擾則上述方法不能用，因為這會在接地線環(huán)路上產(chǎn)生很大的接地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常通信。通常采用方法如下：（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是很小。在不超過收/發(fā)器共模電壓的情況下，可以在接地線上加限流電阻來限制干擾電流。（2） 采用隔離接口同時要

16、求隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。4、 防雷保護(hù)問題 對廣播電視發(fā)射臺尤其是高山臺來說遭受雷擊是常態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)有關(guān)資料當(dāng)雷云對地釋放能量時，有3040的能量以電磁波的形式輻射出去形成感應(yīng)雷，這種強(qiáng)烈的瞬變干擾會對落雷點周邊2公里范圍內(nèi)的電子設(shè)備、傳輸信號線上產(chǎn)生很高的瞬變電壓，造成設(shè)備的損壞，在我臺的工程實踐中也多次出現(xiàn)雷擊損壞RS-485接口、串口服務(wù)器等監(jiān)控設(shè)備，使監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。解決的方案：（1） 采用具有光電隔離保護(hù)方案。這種方案實際上將瞬態(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(hù)接口的作用?，F(xiàn)在已有廠家生產(chǎn)出具有上述功能的IC如75LBC184/65LBC184其隔離電壓達(dá)2500V3000V。（2） 采用旁路保護(hù)方案。就是利用瞬態(tài)抑制元件將瞬態(tài)涌浪提供一低阻對地通道快速瀉放到地。為此我們利用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性設(shè)計制作了串口服務(wù)器的保護(hù)隔離轉(zhuǎn)接板，經(jīng)多次雷擊考驗未出現(xiàn)設(shè)備損壞現(xiàn)象。如圖九原理圖PCB圖實物圖圖九在工程實踐中宜將二者結(jié)合使用，隔離接口對大幅度