【文章內(nèi)容簡介】 需要在功耗和匹配質(zhì)量間進行折衷。除上述兩種外， 還 有 一 種 采用 二極管 的匹配方案，如圖 21 （c） 這種方案雖未實現(xiàn)真正的“匹配 ” 。 ， 但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號，達到改善信號質(zhì)量的目的，節(jié)能 效 果 顯 著 [3] 。 圖 21 幾種終端匹配方案 信 號 反射 對數(shù)據(jù)傳 輸?shù)挠绊懀?歸根結(jié)底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入 端的 6 武 漢 理 工 大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） 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。 在 信 號 分 析 中，衡量反射 信號強度 的 參數(shù)是 RAF（Refection Attenuation Factor 反 射 衰 減 因 子 ） 它的計算 公式如式 （21） 。 ： RAF = 20lg（Vref / Vinc） （21） 式 中 ：Vref ——反射 信號的電 壓大?。籚inc ——在電纜與收發(fā)器或終端電阻 連 接 點 的 入 射 信號的電 壓大小。具體測量方 法如圖 22 所示。例如，由實驗測得 6MHz 的 入 射 信 號 正 弦 波 的 峰 峰 值 為 +5V， 反 射 信 號 的 峰 峰 值 為 +， 則 該 通 訊 電 纜 在 6MHz 的通訊速率時，它的反射衰 減因子為式（22） ： RAF = 20lg（ / 6 ）= dB （22） 圖 22 測量反射信號的大小 要 減 弱反射 信號對 通訊線路的 影響，通常采用噪聲抑 制和加匹配電阻的方 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)常采用加匹配電阻的方 法。 引出線問題 其 次 是引出線 問題。 RS485 總線上 的每 個收發(fā)器通過 一段引 出線接入總線 ， 引出線過長時，由于信號在引出線中的反射，也會影響總線上的信號質(zhì)量。和前 面 的 討 論 一樣，系統(tǒng) 所能允許的引出線長度也和信號的轉(zhuǎn)換時間、數(shù)據(jù)速 率有 關(guān)。 下 面 的經(jīng) 驗公式可以用來 估算引出 線的最大長度為式（23） ： Lmax = （ tRISE m / ns ）/ 10 （23） 對 應(yīng) 于 150ns 的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為 3 m。 從 以 上的分析 可以看出，在 敷 設(shè) RS485 連接線時應(yīng)考慮引出線長度的要求， 應(yīng) 盡 量 減 小引 出線長度以 滿足 相關(guān)要求。 地線與接地問題 第 三 是 地線與接地的 問題。盡管是差分傳輸，對于 RS485 網(wǎng)絡(luò)來講，一 條低 阻的信號地還是必不可少的，這是因為一是共模干擾問題，收發(fā)器在共模電壓超 7 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） 出 一 定 范 圍 （7V 至 +12V）時就 會影 響通 信的可 靠性 ，直至 損 壞接口 。二 是 電 磁 輻 射（EMI）問題。驅(qū)動器 輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如果沒有一 個 低 阻 的 返回通道（信號地） ，就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個 巨大的天線向外輻射電磁波。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來， 使 共 模 干 擾電壓被短 路。這條信號地可以是額外的一 對線（非屏蔽雙絞線） 、或者 是屏蔽雙絞線的屏蔽層。值得注意的是，這種做法僅對高阻型共模干擾有效，當(dāng) 共模干擾源內(nèi)阻較低時，會在接地線上形成較大的環(huán)路電流，影響正常通信，此 時可以采取在接地線上加限流電阻限制干擾電流，或采用浮地技術(shù)、隔離接口等 措施。 總線負載能力與通訊電纜長度之間的關(guān)系 最 后 介紹 RS485 總線 的負載能力和通訊電纜長度之間的關(guān)系。在設(shè)計 RS485 總 線 組 成 的網(wǎng)絡(luò)配置 （總線 長度和帶負載個數(shù)） 時，應(yīng)該考慮到 3 個參數(shù)： 純 阻 性負 載、信號衰減和噪聲 容限。從下面的公式能看出總線帶 負載的多少 和 通 訊 電 纜 長度之間 的關(guān)系為 式（24） ： Vend = （ Vdriver Vloss Vnoise – Vbias ） （24） 其 中 ：Vend 為總線 末端的信號電 壓，在標(biāo)準(zhǔn)測定時規(guī)定為 ；Vdriver 為驅(qū) 動 器 的 輸 出 電 壓（與 負載數(shù)有關(guān)，負載個數(shù)在 5～35 個之間，Vdriver = ；當(dāng) 負 載 數(shù) 小 于 5 時，Vdriver = ；當(dāng)負載數(shù)大于 35 時，Vdriver ≤ V） ；Vloss 為 信 號 在 總 線 中的傳 輸過程的損耗（與通訊電纜的規(guī)格和長度有關(guān)） ，由標(biāo)準(zhǔn) 電纜 衰減 系 數(shù) ，根 據(jù)公式衰減系數(shù) b = 20lg （ Vout / Vin ）可以計算出 Vloss = Vin Vout = V（ 注 ：:通訊波特率 為 kbps，電纜長度 1km，如波特率 增加，Vloss 會 相應(yīng) 增大） ；Vnoise 為噪聲 容限，標(biāo)準(zhǔn) 測定時規(guī)定為 V；Vbias 是由偏置電阻提供 的 偏 置 電 壓 其典型值 為 ） （ 。上式中乘以 是為了使通信電纜不進入滿載狀態(tài)。 從 上 式可 以看出，Vdriver 的大 小和總線上帶 負載數(shù)的多少成反比，Vloss 的大小 和 總線長度成反比，其它幾個參數(shù)只和用的驅(qū)動器類型有關(guān)。因此，在選定了驅(qū)動 器 的 RS485 總線上 ，在 通信波特率一定的情況下，負載數(shù)的多少與信號傳輸 的 最 大距離是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：在總線允許的范圍內(nèi)，帶負載數(shù)越多，信號 能 傳 輸 的 距離 就越??；帶負載數(shù)越 少，信號能傳輸?shù)木嚯x就越遠。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)定 義了 一個 極為堅固 和可靠 的通信鏈路， 具有高 噪聲抑 制、寬 共 模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但只有在采取合理的布局和周全的保護 措 施 等 條 件 下 ， 才 能 建 立 一 個 真 正 可 靠 的 RS485 網(wǎng) 絡(luò) 。 因 此 這 就 為 本 系 統(tǒng) 的 RS485 模 塊 的設(shè)計及 總線 長度的 選定提供了堅實的理論基礎(chǔ)。 8 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） RS485 常規(guī)接線電路 如 圖 23 所示為 RS485 常規(guī)接線電路圖。由于 RS485 是半雙工通信 方式，所 以任何時刻只允許線路處于接收信號狀態(tài)，或者處于輸出信號狀態(tài)。平時在無數(shù) 據(jù) 傳 輸 的 情況 下，一 般將 RS485 置于接 收信號狀態(tài)下工作，這樣一旦有數(shù)據(jù) 傳輸 過來，能及時收到。因此通常將接收信號使能端與輸出信號使能端并接在一塊， 由 單 片機 一個 I/O 口經(jīng)反相器控制 其使能，以保證由于 RS485 通信正常。另外在 從接收信號到輸出信號，或者從輸出信號到接收信號的轉(zhuǎn)換過程中，存在一定的 延 時，即 RS485 的信號接收狀態(tài)從原來一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)時，需要加入 一 定 的 延 時，否則信 號接發(fā)可能發(fā) 生錯誤。 1 JP1 JUMPER R4 120 U26 RXD VCC R26 10K TXD 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 D4 6 D6 8 7 6 5 VCC GND 2 U10C 74LS04 5 D5 GND D7 圖 23 RS485 常 規(guī) 接 線 電 路 圖 RS485 零延時接線電路 上 述 電路在 信號切換時存在一定的延時，可以用如圖 24 所示接線電路圖 ，以 自 動 進行 收發(fā)轉(zhuǎn)換過程。由于單片 機晶振一般在 24MHz 以下，因此這種接 線 方法 甚 至 達 到 零延 時的轉(zhuǎn)換，從而也減 少程序的控制量。 那 么 在 一 個 簡 單 的 RS485 收 發(fā) 裝 置 中 ， 可 以 采 用 低 功 率 RS485 收 發(fā) 器 MAX485 加以 外圍 電 路 即 可 完 成 。然 而 當(dāng) 信號 在 一根 長電 纜 上 傳輸 或 具有 很高 的 傳輸速率時，電纜將會呈現(xiàn)傳輸線的特性。在這種情況下，必須按其特性阻抗進 行 終 端 匹 配。按照 RS485 總線 的 電氣特性，在 RS485 串行接口 系統(tǒng)實現(xiàn)的過 程 中 ，假 如 接收器同向輸入（A）電平比接收器反向輸入（B）電平高出 200mV 或更 高 ， 則 RS485 串行接口 的接收器輸出為“1” ，反之 B 比 A 高出 200 mV 或更 高， 則 輸 出 為“0” 。在一個 半雙工的 RS485 串行接口網(wǎng)絡(luò)中 ，主機的收發(fā)器給從機 發(fā) 完 一 組 信 息后將總線 置為三態(tài)，沒有任何信號驅(qū)動總線，使 A 和 B 之間的電平差 9 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） 趨 于 0， 時接收器的 輸出狀態(tài)不 定。 此 假如總線上 有干擾， 使得接收器的輸出為 “0” ， 從機則將把其解釋為一個新的數(shù)據(jù)起始位并且試圖讀取后續(xù)的數(shù)據(jù)位。由于永遠 不會有停止位，這便會產(chǎn)生一幀錯誤結(jié)果，也就不會再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)將 陷 于 癱 瘓 狀態(tài)。 VCC 1 RXD TXD U5 R2 Q9 9014 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 R7 100 8 7 6 5 R6 1k R3 R4 300 R5 1k R20 120 2 JP1 JUMPER 圖 24 RS485 電 路 接 線 圖 解 決 的方 法是在硬件 上將總線進行偏置，如圖 24 所示為 RS485 電路接線圖 。 在 A 端 增 加上 拉電阻 R5，在 B 端增加下拉電阻 R7，AB 間并入一個電 阻 R6，(典 型值 R5=1kΩ；R2=1kΩ；R3=100Ω)，這樣當(dāng)總線上 沒有數(shù)據(jù)傳 輸時，AB 間電壓 差 大 約為 238mV，即使總線上 沒有數(shù)據(jù)傳 輸時，也很難 出現(xiàn)數(shù)據(jù)的 起始位“0” ， 這樣也就增加總線的抗干擾能力。在軟件上則是在通信協(xié)議的設(shè)計上加以注意， 一 般 在 RS485 多機主從異步通信 中多采用數(shù)據(jù) 包通信 方式， 每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo) 碼、 長度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容數(shù)據(jù)、檢驗碼及結(jié)束碼等部分組成。在協(xié)議中， 以引導(dǎo)碼來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)送或接收，地址碼用于區(qū)分各個從機，每個從機被分配 一個唯一的地址。主機向從機發(fā)送信息時，以命令字節(jié)來控制是否有數(shù)據(jù)碼，同 時命令碼還可能包括其他控制信息。一般僅用命令碼來傳遞控制信息，這樣整個 數(shù) 據(jù) 包 長 度為 4 個字 節(jié)。通訊過程中，從機處于從屬地位，從機接到數(shù)據(jù) 包 時， 檢查數(shù)據(jù)包中的地址碼是否與本地址相符，不相符則拋棄該數(shù)據(jù)包，相符則繼續(xù) 檢查命令碼。若命令碼指示有數(shù)據(jù)，則接受數(shù)據(jù)碼并發(fā)送應(yīng)答；若命令碼為狀態(tài) 查詢，則發(fā)送僅包含狀態(tài)碼的應(yīng)答數(shù)據(jù)包；若命令碼為數(shù)據(jù)查詢，則發(fā)送僅含數(shù) 據(jù)碼的應(yīng)答數(shù)據(jù)包；若命令碼為廣播的控制信號，則根據(jù)控制信號運行而不做應(yīng) 答 。 另 外 在實際 RS485 通信 試驗 中，通過監(jiān)測總線得知在 RS485 收發(fā)裝置接 收 和 發(fā) 送 功 換時會有數(shù)據(jù) 0 出現(xiàn)，因此在主機數(shù)據(jù) 包中的命令應(yīng)避免數(shù)據(jù) 0 的出 現(xiàn) 。 10 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器 如何實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信是整個系統(tǒng)能否結(jié)合成為一體工作的關(guān) 鍵 。那 么在硬件 上，RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器就正是整個系統(tǒng) 結(jié)合成為一 體工作的硬 件 基 礎(chǔ) 。 如圖 25 所示為 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器接線電路圖。 VCC C14 1u C12 1u C16 1 6 2 7 3 8 4 9 5 PCCOM 1u 1 2 3 4 5 6 7 8 C15 1u U7 C1+ V+ C1C2+ C2VT2out R2in MAX232 Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out 16 15 14 13 12 11 10 9 C13 1u R21 120 U25 RXD TXD D3 LED VCC 1 R3 R4 300 R5 1k U5 R2 Q9 9014 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 R7 100 8 7 6 5 R6 1k R20 120 2 JP1 JUMPER 圖 25 RS232/RS485 轉(zhuǎn) 換 器 接 線 電 路 圖 該 電 路的 RS232C 電平轉(zhuǎn)換電路采用 了 MAX232 集成電路，RS485 電路采用 了 前 面 選 定的 MAX485 集成電路 模 塊。計算機的 COM 口，第 2 腳為信號接收 ， 第 3 腳 為 信號輸 出，第 5 腳為地線，圖中只要將這 3 條線連接即可 正常工作了 。 RS232C 標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)誤碼率小于 4%時，要求導(dǎo)線的電容值應(yīng)小于 2500pF。對 于 普 通 導(dǎo) 線 ，其電容值約為 170pF/M。則允許距離 L=2500pF/（1700pF/M）=15M。 這 一 距 離 的計算，是偏于保守的，不過在實際應(yīng)用中，當(dāng)使用 9600bps，普通雙 絞 屏 蔽 線 時 ，距離 也只 可以達 到 30 米～35 米 [4] 。所以要求 1000 米的遠距離通信 時 ， 只用 RS232C 通信是 無法達到的 ，因此在 RS232C 后加入 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，形成了 11 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） RS232C/RS485 轉(zhuǎn)換器， 可以實現(xiàn)遠程通信了 。 為 確 保線 路連接正確，特在 RS232C 的 TTL 電平的信號接收端接入一個發(fā)光 二極管，不僅能檢測線路連通的情況，而且在數(shù)據(jù)通信過程中，隨著數(shù)據(jù)的傳輸 出 而 閃 爍 ，起到了美觀 的作用。 溫