rs485

rs485

智慧型儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發展起來的,現在世界儀表市場基本被智慧型儀表所壟斷。究其原因就是企業信息化的需要,企業在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯網通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡單過程量,後來儀表接口是RS232接口,這種接口可以實現點對點的通信方式,但這種方式不能實現聯網功能。隨後出現的RS485解決了這個問題。

基本信息

特點

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1.RS-485的電氣特性:採用差分信號負邏輯,邏輯“1”以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了,就不易損壞接口電路的晶片,且該電平與TTL電平兼容,可方便與TTL電路連線。
2.RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。
3.RS-485接口是採用平衡驅動器差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強,即抗噪聲干擾性好。
4.RS-485最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mbps,傳輸速率與傳輸距離成反比,在100KbpS的傳輸速率下,才可以達到最大的通信距離,如果需傳輸更長的距離,需要加485中繼器。RS-485匯流排一般最大支持32個節點,如果使用特製的485晶片,可以達到128個或者256個節點,最大的可以支持到400個節點。

接口

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RS485接口組成的半雙工網路,一般是兩線制(以前有四線制接法,只能實現點對點的通信方式,現很少採用),多採用禁止雙絞線傳輸。這種接線方式為匯流排式拓撲結構在同一匯流排上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網路中一般採用的是主從通信方式,即一個主機帶多個從機。很多情況下,連線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”端連線起來。RS485接口連線器採用DB-9的9芯插頭座,與智慧型終端RS485接口採用DB-9(孔),與鍵盤連線的鍵盤接口RS485採用DB-9(針)。另有一個問題是信號地,上述連線方法在許多場合是能正常工作的,但卻埋下了很大的隱患,這有二個原因:(1)共模干擾問題:RS-485接口採用差分方式傳輸信號,並不需要相對於某個參照點來檢測信號,系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓範圍,RS-485收發器共模電壓範圍為-7~+12V,只有滿足上述條件,整個網路才能正常工作。當網路線路中共模電壓超出此範圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。(2)EMI(電磁兼容性)問題:傳送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路,如沒有一個低阻的返回通道(信號地),信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端,整個匯流排就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。由於PC機默認的只有RS232接口,有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路:(1)通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號,對於情況比較複雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離柵的產品。(2)通過PCI多串口卡,可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。

電纜

rs485通訊電纜結構圖rs485通訊電纜結構圖
在低速、短距離、無干擾的場合可以採用普通的雙絞線,反之,在高速、長線傳輸時,則必須採用阻抗匹配(一般為120Ω)的RS485專用電纜(STP-120Ω(forRS485&CAN)onepair18AWG),而在干擾惡劣的環境下還應採用鎧裝型雙絞禁止電纜(ASTP-120Ω(forRS485&CAN)onepair18AWG)。在使用RS485接口時,對於特定的傳輸線路,從RS485接口到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸的波特率成反比,這個長度數據主要是受信號失真及噪聲等所影響。理論上,通信速率在100Kbps及以下時,RS485的最長傳輸距離可達1200米,但在實際套用中傳輸的距離也因晶片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以採用增加中繼的方法對信號進行放大,最多可以加八個中繼,也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到10.8公里。如果真需要長距離傳輸,可以採用光纖傳播介質,收發兩端各加一個光電轉換器,多模光纖的傳輸距離是5到10公里,而採用單模光纖可達50公里的傳播距離。

布網

布網布網
網路拓撲一般採用終端匹配的匯流排型結構,不支持環形或星形網路。在構建網路時,應注意如下幾點:(1)採用一條雙絞線電纜作匯流排,將各個節點串接起來,從匯流排到每個節點的引出線長度應儘量短,以便使引出線中的反射信號對匯流排信號的影響最低。有些網路連線儘管不正確,在短距離、低速率仍可能正常工作,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重,主要原因是信號在各支路末端反射後與原信號疊加,會造成信號質量下降。(2)應注意匯流排特性阻抗的連續性,在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續性:匯流排的不同區段採用了不同電纜,或某一段匯流排上有過多收發器緊靠在一起安裝,再者是過長的分支線引出到匯流排。在RS485組網過程中另一個需要注意的問題是終端負載電阻問題,在設備少距離短的情況下不加終端負載電阻整個網路能很好的工作,但隨著距離的增加性能將降低。理論上,在每個接收數據信號的中點進行採樣時,只要反射信號在開始採樣時衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實際上難以掌握,美國MAXIM公司有篇文章提到一條經驗性的原則可以用來判斷在什麼樣的數據速率和電纜長度時需要進行匹配:當信號的轉換時間(上升或下降時間)超過電信號沿匯流排單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。一般終端匹配採用終端電阻方法,RS-485應在匯流排電纜的開始和末端都並接終端電阻。終端電阻在RS-485網路中取120Ω。相當於電纜特性阻抗的電阻,因為大多數雙絞線電纜特性阻抗大約在100~120Ω。這種匹配方法簡單有效,但有一個缺點,匹配電阻要消耗較大功率,對於功耗限制比較嚴格的系統不太適合。另外一種比較省電的匹配方式是RC匹配。利用一隻電容C隔斷直流成分可以節省大部分功率。但電容C的取值是個難點,需要在功耗和匹配質量間進行折衷。還有一種採用二極體的匹配方法,這種方案雖未實現真正的“匹配”,但它利用二極體的鉗位作用能迅速削弱反射信號,達到改善信號質量的目的,節能效果顯著。最近兩年一些公司基於部分企業信息化的實施已完成,工廠中已經鋪設了延伸到車間每個辦公室、控制室的區域網路的現狀,推出了串口伺服器來取代多串口卡,這主要是利用企業已有的區域網路資源減少線路投資,節約成本,相當於通過tcp/ip把多串口卡放在了現場。

長度

在使用RS485接口時,對於特定的傳輸線經,從發生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度是數據信號速率的函式,這個長度數據主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。下圖所示的最大電纜長度與信號速率的關係曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜(線徑為0.51mm),線間旁路電容為52.5PF/M,終端負載電阻為100歐時所得出。(曲線引自GB11014-89附錄A)。當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時,假定最大允許的信號損失為6dBV時,則電纜長度被限制在1200M。實際上,曲線是很保守的,在實用時是完全可以取得比它大的電纜長度。當使用不同線徑的電纜。則取得的最大電纜長度是不相同的。例如:當數據信號速率為600Kbit/S時,採用24AWG電纜,最大電纜長度是200m,若採用19AWG電纜(線徑為0.91mm)則電纜長度將可以大於200m;若採用28AWG電纜(線徑為0.32mm)則電纜長度只能小於200m。

匯流排

在要求通信距離為幾十米到上千米時,廣泛採用RS-485串列匯流排標準。RS-485採用平衡傳送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力。加上匯流排收發器具有高靈敏度,能檢測低至200mV的電壓,故傳輸信號能在千米以外得到恢復。市場上一般RS-485採用半雙工工作方式,任何時候只能有一點處於傳送狀態,因此,傳送電路須由使能信號加以控制。RS-485用於多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線。套用RS-485可以聯網構成分散式系統,其允許最多並聯32台驅動器和32台接收器。

功能

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PC與智慧型設備通訊多藉助RS232、RS485、乙太網等方式,但RS232、RS485隻能代表通訊的物理介質層和鏈路層,如果要實現數據的雙向訪問,就必須自己編寫通訊應用程式,但這種程式多數都不能符合ISO/OSI的規範,只能實現較單一的功能,適用於單一設備類型,程式不具備通用性。在RS232或RS485設備聯成的設備網中,如果設備數量超過2台,就必須使用RS485做通訊介質,RS485網的設備間要想相互通信息只有通過“主(Master)”設備中轉才能實現,這個主設備通常是PC,而這種設備網中只允許存在一個主設備,其餘全部是“從(Slave)”設備。而現場匯流排技術是以ISO/OSI模型為基礎的,具有完整的軟體支持系統,能夠解決匯流排控制、衝突檢測鏈路維護等問題。

區別

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RS232,RS422,RS485是電氣標準,主要區別就是邏輯如何表示。RS232使用-12V表示邏輯1,12V表示邏輯0,全雙工,最少3條通信線(RX,TX,GND),因為使用絕對電壓表示邏輯,由於干擾,導線電阻等原因,通訊距離不遠,低速時幾十米也是可以的。RS422,在RS232後推出,使用TTL差動電平表示邏輯,就是兩根的電壓差表示邏輯,RS422定義為全雙工的,所以最少要4根通信線(一般額外地多一根地線),一個驅動器可以驅動最多10個接收器(即接收器為1/10單位負載),通訊距離與通訊速率有關係,一般距離短時可以使用高速率進行通信,速率低時可以進行較遠距離通信,一般可達數百上千米。RS485,在RS422後推出,絕大部分繼承了422,主要的差別是RS485可以是半雙工的,而且一個驅動器的驅動能力至少可以驅動32個接收器(即接收器為1/32單位負載),當使用阻抗更高的接收器時可以驅動更多的接收器。所以現在大多數全雙工485驅動/接收器對都是標:RS422/485的,因為全雙工RS485的驅動/接收器一定可以用在RS422網路。

接口理解

(1)485通訊接口一個對通訊接口的硬體描述,它只需要兩根通訊線,即可以在兩個或兩個以上的設備之間進行數據傳輸。這種數據傳輸的連線,是半雙工的通訊方式。在某一個時刻,一個設備只能進行傳送數據或接收數據。
(2)硬體通訊接口建立後,在進行數據傳輸的儀表之間需要約定一個數據協定,以使接收端能夠解析收到的數據,這便是“協定”的概念。
(3)通訊協定有統一標準的協定格式,如“ModBus”協定,標準的協定內容全面,包含的內容很多,但不易理解。由此,可以定義了一種協定,簡單實用,這便是“自定義協定”。
(4)包括ModBus協定、自定義協定。氣渦輪兼容兩種協定格式。

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