工業(yè)串行總線網(wǎng)絡(luò)建立

RS-485網(wǎng)絡(luò)通常采用特性阻抗為120Ω雙絞線作傳輸介質(zhì)，傳輸速率300b/s~115.2kb/s兼容，為異步半雙工結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS-485芯片驅(qū)動(dòng)能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標(biāo)稱最大值為64點(diǎn)，MAX1487E標(biāo)稱最大值為128點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，因線纜長度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、傳輸速率不同，實(shí)際接點(diǎn)數(shù)均達(dá)不到理論值。例如75LBC184運(yùn)用在500m分布的RS-485網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)超過50或速率大于9.6kb/s時(shí)工作可靠性明顯下降。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)按最大值的70%選取，傳輸速率在1200~9600b/s之間選取，通信距離1km以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。通信距離1km以上時(shí)應(yīng)通過增加中繼模塊或降低速率的方法提高傳輸可靠性。

理論上講，RS-485節(jié)點(diǎn)與主干之間距離即T頭越短越好。T頭小于10m的節(jié)點(diǎn)采用T型連接對網(wǎng)絡(luò)匹配并無太大影響，可放心使用，但對于節(jié)點(diǎn)間距非常小(小于1m，如LED模塊組合屏)應(yīng)采用星型連接，若采用T型或串珠型連接就不能正常工作。RS-485是一種半雙工結(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)(PC)應(yīng)置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布，同時(shí)位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應(yīng)跨接120Ω匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射。

RS-485芯片供電電壓為4.5~5.5V，可與MCU共用5V電源。因RS-485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線"拉死"，因此對其二線口VA、VB與總線之間應(yīng)加以隔離。一種簡單可行的方法是:VA、VB與總線之間各串接一只4~10Ω的PTC電阻，同時(shí)與地之間各跨接5V的TVS二極管以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管可用普通電阻和穩(wěn)壓管代替。為防止干擾信號(hào)誤觸發(fā)RO(接收器輸出)負(fù)跳變(RO的負(fù)跳變是通信接收的關(guān)鍵)，建議將RO外接10kΩ上拉電阻。對于收發(fā)控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進(jìn)行控制，不宜采用MCU引腳直接進(jìn)行控制以防止MCU上電時(shí)對總線的干擾。對外置設(shè)備為防止強(qiáng)電磁(雷電)沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片。

對于由MCU結(jié)合RS-485微系統(tǒng)組建的測控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各微系統(tǒng)獨(dú)立供電方案，最好不要采用一臺(tái)大電源給微系統(tǒng)并聯(lián)供電，同時(shí)電源線(交直流)不能與RS-485信號(hào)線共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)線宜選用截面積0.75mm2以上雙絞線而不是平直線。對于每個(gè)小容量直流電源選用線性電源LM7805比選用開關(guān)電源更合適。當(dāng)然應(yīng)注意LM7805的保護(hù):

1.LM7805輸入端與地應(yīng)跨接220~1000μF電解電容;

2.LM7805輸入端與輸出端反接1N4007二極管;

3.LM7805輸出端與地應(yīng)跨接470~1000μF電解電容和104pF獨(dú)石電容并反接1N4007二極管;

4.輸入電壓以8~10V為佳，最大允許范圍為6.5~24V?？蛇x用TI的PT5100替代LM7805，以實(shí)現(xiàn)9~38V的超寬電壓輸入。

RS-485通常應(yīng)用于一對多點(diǎn)的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)中，相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要。

1.總線穩(wěn)態(tài)控制(握手信號(hào))大多數(shù)使用者選擇在數(shù)據(jù)發(fā)送前1ms將收發(fā)控制端TC置成高電平，使總線進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)送狀態(tài)后才發(fā)送數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再延遲1ms后置TC端成低電平，使可靠發(fā)送完畢后才轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。據(jù)筆者使用TC端的延時(shí)有4個(gè)機(jī)器周期已滿足要求;

2.為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字。慣用的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包長度達(dá)20~30字節(jié)。在RS-485系統(tǒng)中這樣的協(xié)議不太簡練，因此向大家介紹適合RS-485使用的MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。MODBUS協(xié)議采用下傳8個(gè)字節(jié)，上傳7個(gè)字節(jié)的方式進(jìn)行通信，現(xiàn)已廣泛使用于水利、水文、電力等行業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中。

上位機(jī)發(fā)送8個(gè)字節(jié)召測指令，其中地址、設(shè)備類別、通信路由、指令類別、指令長度、指令各占1個(gè)字節(jié)，CRC校驗(yàn)碼占2個(gè)字節(jié);下位機(jī)應(yīng)答7個(gè)字節(jié)，地址、設(shè)備類別、數(shù)據(jù)長度各占1個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼各占2個(gè)字節(jié)。

CRC初始化為&HFFFF(CRC_L=&HFF,CRC_H=&HFF),將CRC_L與傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，然后將CRC進(jìn)行右移(不循環(huán))并判斷:如移出的位為1，則CRC再與&HA001進(jìn)行一次異或運(yùn)算;如移出的位為0，則CRC不變。如此右移8次即完成第一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)，重復(fù)上述運(yùn)算及右移直至將全部字節(jié)校驗(yàn)完畢，所生成的CRC(16位)即為傳輸校驗(yàn)碼。

RS-485是一種低成本、易操作的通信系統(tǒng)，但是穩(wěn)定性弱同時(shí)相互牽制性強(qiáng)，通常有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體或局部的癱瘓，而且又難以判斷。故向讀者介紹一些維護(hù)RS-485的常用方法。

1.若出現(xiàn)系統(tǒng)完全癱瘓，大多因?yàn)槟彻?jié)點(diǎn)芯片的VA、VB對電源擊穿，使用萬用表測VA、VB間差模電壓為零，而對地的共模電壓大于3V，此時(shí)可通過測共模電壓大小來排查，共模電壓越大說明離故障點(diǎn)越近，反之越遠(yuǎn);

2.集中供電的RS-485系統(tǒng)在上電時(shí)常常出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)不正常，但每次又不完全一樣。這是由于對RS-485的收發(fā)控制端TC設(shè)計(jì)不合理，造成微系統(tǒng)上電時(shí)節(jié)點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)混亂從而導(dǎo)致總線堵塞。改進(jìn)的方法是將各微系統(tǒng)加裝電源開關(guān)然后分別上電;

3.總線連續(xù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)不能正常工作。一般是由其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的。一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致鄰近的2~3個(gè)節(jié)點(diǎn)(一般為后續(xù))無法通信，因此將其逐一與總線脫離，如某節(jié)點(diǎn)脫離后總線能恢復(fù)正常，說明該節(jié)點(diǎn)故障;

4.系統(tǒng)基本正常但偶爾會(huì)出現(xiàn)通信失敗。一般是由于網(wǎng)絡(luò)施工不合理導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性處于臨界狀態(tài)，最好改變走線或增加中繼模塊。應(yīng)急方法之一是將出現(xiàn)失敗的節(jié)點(diǎn)更換成性能更優(yōu)異的芯片;

5.筆者曾遇到MCU故障導(dǎo)致TC端處于長發(fā)狀態(tài)而將總線拉死一片的現(xiàn)象，故提醒讀者不要忘記對TC端的檢查。盡管RS-485規(guī)定差模電壓大于200mV即能正常工作。但實(shí)際測量:一個(gè)運(yùn)行良好的系統(tǒng)其差模電壓一般在1.2V左右(因網(wǎng)絡(luò)分布、速率的差異有可能使差模電壓在0.8~1.5V范圍內(nèi))。

雖然RS-485總線存在一些缺點(diǎn)，但只要處理好細(xì)節(jié)，性能還是比較穩(wěn)定的。