rs-485總線通信系統(tǒng)的可靠性措施

1、RS-485總線通信系統(tǒng)的可靠性措施一、問題的提出在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用 RS-485通口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機(jī)之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、等領(lǐng)域。但 RS485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高 RS-485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。二、硬件電路設(shè)計(jì)中需注意2.1 電路基本原理某節(jié)點(diǎn)

2、的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，在該電路中，使用了一種 RS-485接口芯片 SN75LBC184，它采用單一電源 Vcc，電壓在35.5 V 范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的 RS-485相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8 kV 的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過壓保護(hù)管，可承受高達(dá)400 V 的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)輸入端電纜有開路故計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為，這樣可保證障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為倍（24 k），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。R

3、S485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號邊沿不會(huì)過陡，使傳輸線上不會(huì)產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器 TLP521讓單片機(jī)與 SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。基本原理為：當(dāng)單片機(jī) P1.6=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓（5 V），選中RS485接口的 DE 端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī) P1.6=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓（0 V），選中 RS485接口的 RE端，允許接收。SN75LBC184的 R 端（接收端）和 D 端（發(fā)送端）的原理與上述類

4、似。2.2 RS-485的 DE 控制端設(shè)計(jì)在 RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線數(shù)據(jù)。以 MCS51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，I/O 口都輸出，如果把 I/O 口直接與 RS-485接口的驅(qū)動(dòng)器使能端 DE 相連，會(huì)在 CPU 復(fù)位期間使 DE 為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線上有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送

5、數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個(gè)總線因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制 RS485總線接口的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成 DE 端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，DE 端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時(shí)，DE 端為“1”。在圖1中,將 CPU 的引腳 P1.6通過光電耦合器驅(qū)動(dòng) DE 端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使SN75LBC184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點(diǎn)因異常情況而對整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。這就為整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎(chǔ)。此外，電路中還有1片看門狗 MAX813L，能在節(jié)點(diǎn)發(fā)

6、生死循環(huán)或其他故障時(shí)，自動(dòng)復(fù)位程序，交出 RS-485總線控制權(quán)。這樣就保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而獨(dú)占總線，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。2.3 避免總線的設(shè)計(jì)當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用總線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)總線通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽總線。在硬件接口上，首先將 RS-485接口的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至 CPU 的中斷引腳0。在圖1中，0是連至光電耦合器的輸出端。當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，SN75LBC184的數(shù)據(jù)接收端（R 端）表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的 CPU 下降沿中斷（也可采用查詢方式），能得知此時(shí)總線是 “忙”，即總線上是否有節(jié)點(diǎn)正在通信。如果“空閑”，則可以得到對總線的使用

7、權(quán)限，這樣就較好地解決了總線。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級，使高優(yōu)先級的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒有主、從節(jié)點(diǎn)之分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對總線的使用權(quán)限是的，從而有效避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信負(fù)擔(dān)較重的情況?？偩€的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“穩(wěn)定性?！狈稚⒘耍瑥哪撤N程度上來說增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性和2.4 RS-485輸出電路部分的設(shè)計(jì)在圖1中，VD1VD4為信號限幅二極管,其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合 RS-485標(biāo)準(zhǔn)， VD1和

8、 VD3取12 V,VD2 和 VD4取7 V,以保證將信號幅度限定在-7+12 V 之間，進(jìn)一步提高抗過壓的能力?？紤]到線路的特殊情況（如某一節(jié)點(diǎn)的 RS-485被擊穿短路），為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在 SN75LBC184的信號輸出端串聯(lián)了2個(gè)20 的電阻 R1和 R2，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在 RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1個(gè)120 的匹配電阻（如圖1中的 R3），以減少線傳輸信號的反射。2.5 系統(tǒng)的電源選擇對于由單片機(jī)結(jié)合 RS-485組建的

9、測控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電的方案，同時(shí)電源線不能與 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0.75 mm2以上的雙絞線而不是平直線,并且選用線性電源 TL750L05比選用開關(guān)電源更合適。TL750L05必須有輸出電容，若沒有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現(xiàn)象。三、的編程SN75LBC184在接收方式時(shí)，A、B 為輸入，R 為輸出；在發(fā)送方式時(shí)，D 為輸入，A、B 為輸出。當(dāng)傳送方向改變一次后，如果輸入未變化，則此時(shí)輸出為隨機(jī)狀態(tài)，直至輸入狀態(tài)變化一次，輸出狀態(tài)才確定。顯然，在由發(fā)送方式

10、轉(zhuǎn)入接收方式后，如果 A、B 狀態(tài)變化前，R 為低電平，在第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，R 仍為低電平，CPU 認(rèn)為此時(shí)無起始位，直到出現(xiàn)第一個(gè)下降沿，CPU 才開始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致接收錯(cuò)誤。由接收方式轉(zhuǎn)入發(fā)送方式后，D 變化前，若A與B 之間為低電壓，發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，A 與 B 之間仍為低電壓，A、B 引腳無起始位，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤?？朔@種的方案是：主機(jī)連續(xù)發(fā)送兩個(gè)同步字，同步字要包含多次邊沿變化(如55H ，0AAH)，并發(fā)送兩次(第一次可能接收錯(cuò)誤而忽略) ，接收端收到同步字后，就可以傳送數(shù)據(jù)了，從而保證正確通信。為了更可靠地工作，在 RS485總線狀態(tài)切換時(shí)需要適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)

11、行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)0.5 ms 左右的時(shí)間，再發(fā)送有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，再延時(shí)0.5 ms，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過程。數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖如圖2所示。單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的程序基本上可以分為6個(gè)主要部分，分別為預(yù)定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預(yù)定義部分主要定義了通信中使用的握手信號，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本節(jié)點(diǎn)設(shè)備號的變量。設(shè)備狀態(tài)檢測部分應(yīng)能在程序初始化后，當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)，作出相應(yīng)的反應(yīng)。主程序部分應(yīng)能接收命令幀，并根據(jù)命令內(nèi)容作出相應(yīng)的回應(yīng)

12、。為縮短篇幅，這里僅給出主程序部分的代碼。如下所示：/* 主程序流程 */while(1) if(recv_cmd(&type)=0)/主循環(huán)/發(fā)生幀錯(cuò)誤或幀地址與本機(jī)/地址不符，丟棄當(dāng)前幀后返回continue; switch(type) case ACTIVE_:/主機(jī)詢問從機(jī)是否存在send_data( OK_, 0,dbuf);/發(fā)送應(yīng)答信息 break;case GETDATA_:len = strlen(dbuf);send_data( S break;default:break;US_, len,dbuf);/發(fā)送狀態(tài)信息/命令類型錯(cuò)誤，丟棄當(dāng)前幀后返回RS-485 由于使用了差分電平傳輸信號，傳輸距離比 RS-232 更長，最多可以達(dá)到 3000 m，因此很適合工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。但與 CAN 總線等更為先進(jìn)的現(xiàn)場工業(yè)總線相比，其處理錯(cuò)誤的能力還稍顯遜色，所以在部分還需要進(jìn)行