第三篇+RS485的应用技巧.docx
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第三篇+RS485的应用技巧
第三篇RS485的应用技巧
一、RS485转换器
在485总线系统当中,由于系统最终的数据大多要最终传输到电脑当中,而电脑一般都是通过RS232串口与485总线系统进行数据交换。
所以232转485转换器就成为485总线系统的标准配置。
232转485转换器从性能上可以分为如下几种:
无源型485转换器,有源型485转换器,防雷型485转换器,光隔离型485转换器,防雷光隔离型485转换器。
无源型485转换器体积最小,采用串口窃电技术供电,所以不需要外部电源供电,由于其体积小,无需电源,所以应用灵活,但是由于其体积小,很多保护电路不能做上去,导致对485设备以及电脑的保护不是很好。
由于采用串口窃电技术,电源供给不足,导致负载较小。
有源型485转换器只是在无源型485转换器上面加上一个外加电源,没有任何保护,该类产品市场基本没有前景,市场上该类产品基本绝迹。
防雷型485转换器,一般都是带有电源的产品,其中的防雷管等元器件可以防止浪涌,电磁干扰,雷电干扰等外部损坏。
保护电脑以及485设备。
有无源型的485转换器号称带有防雷功能,由于其体积小,在里面加防雷管等元器件不是很现实,即使有,性能也不是很好。
光隔离型485转换器,都是使用外接电源的。
其中又分为单端隔离及双端隔离,单端光隔离即是,在485信号的通道上使用光电隔离芯片,使得电信号转换为光信号,再将光信号转换为电信号,使得在485信号通道上没有电气接触,从而实现了隔离。
而双端隔离是在485信号上实现了光电隔离的基础上,再将485转换器的电源供电,在232端与485端中间使用一个变压器,使得供电也没有电气接触,从而实现了真正意义上的隔离。
防雷光隔离型485转换器就是在光隔离型485转换器的基础上加上防雷保护功能。
深圳市富永通科技有限公司的N-108型号防雷光隔离型485转换器即属于此,提供防雷保护,双端隔离等完全的保护,保护您的电脑及485设备。
随着485系统的越来越大,485总线外挂的485设备越来越多,从而导致485总线的稳定性越来越差。
现在市场上已经有可以负载128,256台甚至400台485设备的转换器,由于485总线使用总线连接形式,形成如果有一个485设备出现问题,就导致整个485总线出现问题的现象。
所以从485总线的稳定性来说,当设备达到一定数量的时候,建议使用485集线器保证485总线的稳定性。
从概率上分析,假设485总线上的485设备的无差错时间为99.9%,当有128个485设备在一个总线上时,其无差错时间就是99.9%的128次方,其无差错时间讯速降为87.98%,而如果使用4口485集线器将128个485设备分割为四个32个485设备的485总线,其无差错时间就是99.9%的32次方,其无差错时间为96.85%,这样就大大提高了485总线的稳定性。
二、RS485总线常见故障的排除
在各种现场中,485总线应用的非常的广泛,但是485总线比较容易出现故障,现在将485总线容易出现故障的情况并且可以排除这些故障的方法罗列如下:
1、由于485信号使用的是一对非平衡差分信号,意味485网络中的每一个设备都必须通过一个信号回路连接到地,以减少数据线上的噪音,所以数据线最好由双绞线组成,并且在外面加上屏蔽层作为地线,将485网络中485设备连接起来,并且在一个点可靠接地。
2、在工业现场当中,现场情况非常复杂,各个节点之间存在很高的共模电压,485接口使用的是差分传输方式,有抗共模干扰能力,但是当共模电压大于+12V或者小于-9V时,超过485接收器的极限接收电压。
接收器就无法工作,甚至可能会烧毁芯片和一起设备。
可以在485总线中使用485光隔离中继器,将485信号及电源完全隔离,从而消除共模电压的影响。
3、485总线随着传输距离的延长,会产生回波反射信号,如果485总线的传输距离如果超过100米,建议施工时在485通讯的开始端和结束端120欧姆的终端电阻。
相关接线方法可以参考“120欧姆电阻的接法”。
4、485总线中485节点要尽量减少与主干之间的距离,一般建议485总线采用手牵手的总线拓扑结构。
星型结构会产生反射信号,影响485通信质量。
如果在施工过程中必须要求485节点离485总线主干的距离超过一定距离,使用485中继器可以作出一个485总线的分叉。
如果施工过程中要求使用星型拓扑结构,可以使用485集线器可以解决这个问题。
5、影响485总线的负载能力的因素:
通讯距离、线材的品质、波特率、转换器供电能力、485设备的防雷保护、485芯片的选择。
如果485总线上的485设备比较多的话,建议使用带有电源的485转换器,无源型的485转换器由于时从串口窃电,供电能力不是很足,负载能力不够。
选用好的线材,如有可能使用尽可能低的波特率,选择高负载能力的485芯片,都可以提高485总线的负载能力。
485设备的防雷保护中的防雷管会吸收电压,导致485总线负载能力降低,去掉防雷保护可以提高485总线负载能力。
如果在现场施工中,相关的因素不能改变,建议485中继器或者485集线器来提供485总线的负载能力。
三、RS485匹配电阻的设置
在485总线的现场施工当中,当485总线的传输距离超过一定的长度时,485总线的抗干扰能力就会出现下降,在这种情况下,就要在485总线的首尾两端接120欧姆的终端匹配电阻,以保证485总线的稳定性。
终端匹配电阻的正确接法是在每个485总线的首尾两端上各接一个120欧姆的终端电阻,电阻接在485总线的正负之间。
如图示:
上图为使用485转232转换器时的终端匹配电阻的接法。
上图为有加485中继器时终端匹配电阻的接法。
上图为使用485集线器时终端匹配电阻的接法。
四、RS485总线布线需要注意的问题
485总线由于其布线简单,稳定可靠从而广泛的应用于视频监控、门禁对讲、楼宇报警等各个领域中,但是,在485总线布线过程中由于有很多不完全准确的概念导致出现很多问题。
现在将一些错误的观念作出一些澄清。
1、485信号线可以和强电电源线一同走线。
在实际施工当中,由于走线都是通过管线走的,施工方有的时候为了图方便,直接将485信号线和电源线绑在一起,由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰,从而导致485信号不稳定,导致通信不稳定。
2、485信号线可以使用平行线作为布线,也可以使用非屏蔽线作为布线。
由于485信号是利用差模传输的,即由485+与485-的电压差来作为信号传输。
如果外部有一个干扰源对其进行干扰,使用双绞线进行485信号传输的时候,由于其双绞,干扰对于485+,485-的干扰效果都是一样的,那电压差依然是不变的,对于485信号的干扰缩到了最小。
同样的道理,如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话,外部干扰源对于其的干扰影响也可以尽可能的缩小。
3、选择使用普通的超五类屏蔽双绞线即网线就可以。
由于原材料价格上涨,导致现在市场上的线材鱼龙混杂,有不良商人利用某种合金来顶替铜丝来做网线,在外面镀铜以蒙混客户。
具体区别方法:
看网线截面,如果是铜色的话,就是铜丝,如为白色,则是用合金以次充好。
合金一般比较脆,容易断,而且导电性远不如铜丝,很容易在工程施工中造成问题。
线材一般那建议选择标准的485线,其为屏蔽双绞线,传输线不是像网线那样为单股的铜丝,而是多股铜丝绞在一起形成一根线,从而即使某根小铜丝断掉,也不会影响整个的使用。
4、485布线可以任意布设成星型接线与树形接线。
485布线规范是必须要手牵手的布线,一旦没有借助485集线器和485中继器直接布设成星型连接和树形连接,很容易造成信号反射导致总线不稳定。
很多施工方在485布线过程中,使用了星型接线和树形接线,有的时候整个系统非常稳定,但是有的时候则总是出现问题,又很难查找原因,一般都是由于不规范布线所引起的。
如果由于现场的限制,必须要进行星型连接或者树形连接,可以使用485集线器和485中继器解决相关问题,相关参考页面如下:
485总线星型连接,485总线树形拓扑结构。
5、485总线必须要接地。
在很多技术文档中,都提到485总线必须要接地,但是没有详细的提出如何接地。
严格的说,485总线必须要单点可靠接地。
单点就是整个485总线上只能是有一个点接地,不能多点接地,因为将其接地是因为要将地线(一般都是屏蔽线作地线)上的电压保持一致,防止共模干扰,如果多点接地适得其反。
可靠接地时整个485线路的地线必须要有良好的接触,从而保证电压一致,因为在实际施工中,为了接线方便,将线剪成多段再连接,但是没有将屏蔽线作良好的连接,从而使得其地线分成了多段,电压不能保持一致,导致共模干扰。
五、浅谈485总线结构的布线规范及调试方法
1、布线规范
1)、控制器通讯线(包括485/422、232和韦根等通讯线)必须采用国际通用的8芯屏蔽双绞线,这样可有效防止和屏蔽干扰。
线径大于0.3mm总线长度不超过1200建议在1000米以内,如果更长请选用其它专用485/232转换器或者加中继器,并选用更粗的通讯电缆。
控制器GND/485-/485+分别对应连接485转换器GND/TD(A)/TD(B),通讯线路采用串联挂接式连接,请勿采用星型连接或者局部星型连接(如图二)。
如果线路过长和设备过多,请在最后一台设备上增加终端电阻(有跳线加载)总线最多可挂接128台控制器。
(图二、控制器与计算机相连)
2)、其设备用线不得走强电凿或是强电线管。
如因环境所限,要平行走线,则要远离50CM以上。
2、安全事项注意
1)、虽然控制器已经具备了防静电和防雷击设计,但是请确保电源和机箱的良好接地,以保障电路不被静电、雷电和其他设备漏电所伤害,长时间稳定运行。
2)、请勿带电拔插接线端子,或者带电焊接操作,焊接接线时应该先拔下所对应的接线座。
3)、请勿私自拆卸控制器上的元器件,这样有可能会引起系统信息的丢失或芯片损害。
4)、本控制器可以直接外挂UPS不间断电源,保证停电后系统仍然可以继续工作。
系统配备掉电保护装置,即使停电系统设置信息和记录也不会丢失。
5)、尽量避免将控制器电源和其他大电流工作设备接在同一电源上。
六、RS485施工常见错误现象
485线路不使用双绞线,或者使用低档的无源转换器!
485通讯线不能走星型连接,必须走规范的手牵手的总线模式。
如果485走线不规范或者超出通讯范围,会出现通讯不上或者有时通讯上有时通讯不上的现象。
485传输是差模传输模式,只有485+和485-互为双绞,才能使得485传输模式受到的干扰最小,传输最远,传输质量最好。
有些工程商不采用双绞线会使得干扰很大,有些工程商误以为线粗一些传输质量会好,将双绞线合成一股,另外一台双绞线也合成一股,这样适得其反,反而大幅度降低了通讯质量。
市面上有一种没有带电源的小巧的转换器,价格便宜,但抗干扰性能不好,一般用于单机的室内短距离的通讯,例如考勤机,不适合水控系统。
虽然其号称可以带32台设备,传输距离达1000米,其实在实际应用中经常远远达不到指标,所以建议您不要采用这种无源的转换器。
除非在室内,通讯距离小于100米,负载数小于2台,从成本角度上可以考虑一下采用。
否则,强烈建议您采用有源的485转换器,价格也不贵,也稳定得多,负载控制器的数量也很多,抗干扰,防雷击,防浪涌效果也很好。
485布线禁止星型连接,即不可从转换器分别拉线到各个控制器,然后在转换器上并联。
这种连接使得通讯质量很差。
一定要从转换器出来,先到一台控制器,然后再连到下一台控制,一台一台连下去,象串蚂蚱一样串下去才行。
不规范的485布线,即使以后用屏蔽接地终端电阻来改善都是无济于事的。
七、RS485总线应用须知
1、澄清几个概念:
概念一:
485总线的通讯距离可以达到1200米。
其实只是485总线结构理论上在理想环境的前提下才有可能使得传输距离达到1200米。
一般是指通讯线材优质达标、波特率9600、只有一台485设备才能使得通讯距离达到1200米,而且能通讯并不代表每次通讯都正常。
所以通常485总线实际的稳定的通讯距离远远达不到1200米。
负载485设备多、线材阻抗不合乎标准、线径过细、转换器品质不良、设备防雷保护、波特率的加高等等因素都会降低通讯距离。
概念二:
485总线可以带128台设备进行通讯。
其实并不是所有485转换器都能够带128台设备的。
要根据485转换器内芯片采用的型号和485设备芯片采用的型号来判断的谁低就谁的。
一般485芯片负载能力有三个级别32台128台256台。
理论上的标称往往实际上是达不到的。
通讯距离越长,波特率越高,线径越细,线材质量越差,转换器品质越差,转换器电能供应不足(无源转换器),防雷保护越强这些都会大大降低真实负载数量。
概念三:
485总线是一种最简单、最稳定、最成熟的工业总线结构。
这种概念是错误的。
应该是:
485总线是一种用于设备联网的经济型的传统的工业总线方式。
通讯质量是需要根据施工经验进行测试和调试的。
485总线虽然简单,但必须严格安装施工规范进行布线。
2、严格几个施工规范:
485+和485-数据线一定要互为双绞。
布线一定要布多股屏蔽双绞线,多股是为了备用,屏蔽是为了出现特殊情况时调试,双绞是因为485通讯采用差模通讯原理,双绞的抗干扰性最好,不采用双绞线是极端错误的。
485总线一定要是手牵手式的总线结构,坚决杜绝星型连接和分叉连接。
设备供电的交流电及机箱一定要真实接地,而且接地良好。
有很多地方表面上有三角插座,其实根本没有接地要小心。
接地良好时,可以确保设备被雷击浪涌冲击静电累计时可以配合设备的防雷设计较好地释放能量。
保护485总线设备和相关芯片不受伤害。
避免和强电走在一起,以免强电对其干扰。
3、几种常见的通讯故障:
通讯不上,无反应。
可以上传数据,但不可以下载数据。
通讯时系统提示受到干扰,或者不通讯时通讯指示灯也不停地闪烁。
有时能通讯上,有时通讯不上。
有的指令可以通,,有的指令不可以通。
4、推荐几个调试方法:
首先要确保设备接线正确,且严格合乎规范。
共地法:
用1条线或者屏蔽线将所有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485+和485-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,替换客户电脑来进行通讯,如果可以,则表明客户的电脑的串口有可能被损害或者受伤。
5、提出几个建议和忠告:
建议用户使用和购买专业厂家提供的485转换器或者厂家指定推荐品牌的485转换器。
严格按照485总线的施工规范进行施工,杜绝任何侥幸心理。
对线路较长、负载较多的情况采用主动科学的有预留的解决方案。
如果通讯距离过长,建议如果超过500米就采用中继器或者485HUB来解决问题。
如果负载数过多,建议如果一条总线上超过30台就采用485HUB来解决问题。
现场调试带齐调试设备。
现场调试一定要随身携带几个确保以前可以接长距离和多负载的转换器、一台常用的电脑笔记本、测试通路断路的万用表、几个120欧姆的终端电阻。
八、RS485的应用经验
推荐从目前解决MCU之间中长距离通信的诸多方案分析来看,RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点,在消防、水文、水利自动报测、楼宇控制等工程中被广泛使用。
但RS-485总线存在自适应、自保护功能脆弱、通信效率低等缺点,如不注意一些细节的处理常出现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。
本文介绍在工程应用中使用RS-485的经验体会。
1、RS-485的电源选择
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0.75mm2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LM7805比选用开关电源更合适。
当然应注意LM7805的保护:
1).LM7805输入端与地应跨接220~1000μF电解电容;
2).LM7805输入端与输出端反接1N4007二极管;
3).LM7805输出端与地应跨接470~1000μF电解电容和104pF独石电容并反接1N4007二极管;
4).输入电压以8~10V为佳,最大允许范围为6.5~24V。
可选用TI的PT5100替代LM7805,以实现9~38V的超宽电压输入。
2、RS-485的硬件设计
RS-485芯片供电电压为4.5~5.5V,可与MCU共用5V电源。
因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VA、VB与总线之间应加以隔离。
一种简单可行的方法是:
VA、VB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。
为防止干扰信号误触发RO(接收器输出)负跳变(RO的负跳变是通信接收的关键),建议将RO外接10kΩ上拉电阻。
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。
对外置设备为防止强电磁(雷电)冲击,建议选用TI的75LBC184等防雷击芯片。
3、RS-485网络的建立
RS-485网络通常采用特性阻抗为120Ω双绞线作传输介质,传输速率300b/s~115.2kb/s兼容,为异步半双工结构。
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,如75LBC184标称最大值为64点,MAX1487E标称最大值为128点。
实际使用时,因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同,实际接点数均达不到理论值。
例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上节点数超过50或速率大于9.6kb/s时工作可靠性明显下降。
根据笔者经验,节点数应按最大值的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以上时应通过增加中继模块或降低速率的方法提高传输可靠性。
理论上讲,RS-485节点与主干之间距离即T头越短越好。
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,同时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。
4、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).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端成低电平,使可靠发送完毕后才转入接收状态。
据笔者使用TC端的延时有4个机器周期已满足要求;
2).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,因此向大家介绍适合RS-485使用的MODBUS标准协议。
MODBUS协议采用下传8个字节,上传7个字节的方式进行通信,现已广泛使用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中。
MODBUS协议规定:
上位机发送8个字节召测指令,其中地址、设备类别、通信路由、指令类别、指令长度、指令各占1个字节,CRC校验码占2个字节;下位机应答7个字节,地址、设备类别、数据长度各占1个字节,数据、CRC校验码各占2个字节。
MODBUS协议规定CRC校验规则:
CRC初始化为&HFFFF(CRC_L=&HFF,CRC_H=&HFF),将CRC_L与传输的第一个字节进行异或运算,然后将CRC进行右移(不循环)并判断:
如移出的位为1,则CRC再与&HA001进行一次异或运算;如移出的位为0,则CRC不变。
如此右移8次即完成第一个字节的校验,重复上述运算及右移直至将全部字节校验完毕,所生成的CRC(16位)即为传输校验码。
5、MODBUS协议的CRC校验
为方便读者使用MODBUS协议,将VC环境下MODBUS协议的CRC校验子程序代码一并给出,供读者参考。
//***CRCCalculationforMODBUSProtocolforVC***//
//数组snd为地址等传输字节,num为字节数,发为6收为5//
unsignedintmb_crc(BYTE*snd,intnum)
{
inti,j;
unsignedintc,crc=0xFFFF
for(i=0;i { c=str[i]&0x00FF; crc^=c; for(j=0,j<8,j) { if(crc&0x0001){crc>>=1;crc^=0xA001;} elsecrc>>=1 } } return(crc); } 6、RS-485系统的维护 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,通常有一个节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪,而且又难以判断。 故向读者介绍一些维护RS-485的常用方法。 1).若出现系统完全瘫痪,大多因为某节点芯片的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; 2).集中供电的RS-485系统在上电时常常出现部分节点不正常,但每次又不完全一样。 这是由于对RS-485的收发控制端TC设计不合理,造成微系统上电时节点收发状态混乱从而导致总线堵塞。 改进的方法是将各微系统加装电源开关然后分别上电; 3).总线连续几个节点不能正常工作。 一般是由其中的一个节点故障导致的。 一个节点故障会导致邻近的2~3个节点(一般为后续)无法通信,因此将其逐一与总线脱离,如某节点脱离后总线能恢复正常,说明该节点故障; 4).系统基本正常但偶尔会出现通信失败。 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,最好改变走线或增加中继模块。 应急方法之一是将出现失败的节点更换成性能更优异的芯片; 5).笔者曾遇到MCU故障导致TC端处于长发状态而将总线拉死一片的现象,故提醒读者不要忘记对TC端的检查。 尽管RS-485规定差模电压大于200mV即能正常工作。 但实际测量: 一个运行良好的系统其差模电压一般在1.2V左右(因网络分布、速率的差异有可能使差模电压在0.8~1.5V范围内)。 虽然RS-485总线存在一些缺点,但只要处理好细节,性能还是比较稳定的。 九、RS485通讯常见问题解答 1、485总线应采用什么样的通讯线? 一条总线上可以挂接多少台设备? 必须采用RVSP屏蔽双绞线。 所用屏蔽双绞线规格,与485通讯线的距离和挂接的设备数量有关,如下表所示。
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