單片機多機通信系統穩定性的研究

概 述

單片機在當今的儀表及工業(yè)測控設備上應用非常廣泛。其功能強大、外圍接口電路簡(jiǎn)單，在構成分布式系統時(shí)，其優(yōu)越性更顯突出。在分布式系統中，分機常采用多機通信方式，由于RS-485（以下簡(jiǎn)稱(chēng)485）通信接口的傳輸距離遠，連線(xiàn)少，所以被認為是一種很好的通信模式。然而，在實(shí)際應用過(guò)程中，若使用不當，485接口會(huì )出現很多問(wèn)題：首先是器件經(jīng)常損壞，有時(shí)對電源進(jìn)行幾次連續的開(kāi)關(guān)機操作之后，通信電路就會(huì )失控；再有，在通信過(guò)程中，數據傳輸經(jīng)常出現誤碼，而且誤碼率很高。在系統調試過(guò)程中，有兩次記錄可以證明這一點(diǎn)，記錄如表1所列。

表1 調試記錄

一、 硬件分析

首先分析通信電路失控的原因。系統在上電復位階段，所有485芯片都處于輸出狀態(tài)，而且只有其中某一臺分機發(fā)出數據。以這臺分機輸出口的狀態(tài)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。A、B為485接口的兩只引腳，圖1(圖1a)中的A1~An為高電平，B1~Bn為低電平；而A 為低電平，B為高電平，其中一個(gè)分支的等效電路如圖1（b）所示。由于每個(gè)出口電路的電阻取值相同，都取22Ω，則C點(diǎn)電位接近An點(diǎn)電位。分機數量越大，兩點(diǎn)電位就越接近。485芯片為差動(dòng)輸出方式，同時(shí)有拉電流和灌電流存在，電流I=U/R。由于電流I的存在，使485的差動(dòng)輸出端各有0.3V的電壓降。485芯片由輸出口造成的功率損耗為P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。
U=5-0.3×2=4.4V
R=22Ω
I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A
P=0.6×0.2=0.12W=120mW

由于功耗P與485芯片的耗散功率接近，所以485芯片經(jīng)常有損壞的現象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，只有降低485芯片的功率損耗。由功耗P的計算公式可知，由于電壓一定，只有增大R值，才能減小功耗P。又因為在正常狀態(tài)下，485芯片的接收端處于差動(dòng)輸入狀態(tài)，這時(shí)，起發(fā)送作用的485芯片的輸出端除了導線(xiàn)的分布電容，再無(wú)其它負載，而在485芯片輸出相位切換時(shí)刻，可將分布電容看作是AB線(xiàn)短路，則I=U/（2R）。從工程應用的實(shí)踐經(jīng)驗中得出， 20mA電流環(huán)，可使通信數據穩定。

由I=U/（2R）得
R=U/2I=4.4/(20×2)=0.11kΩ=110Ω

在實(shí)際應用中，R選用100Ω電阻，經(jīng)過(guò)這樣處理之后， 485芯片再也沒(méi)有出現損壞的現象。

以上分析是針對主、分機采用同一電源的對于各自獨立電源供電的通信網(wǎng)絡(luò )，485輸出口的狀態(tài)最后仍然等效成如圖1(b)所示電路。

在主機通信口由輸出轉為輸入狀態(tài)時(shí)，分機還沒(méi)有接管通信總線(xiàn)，這時(shí)通信線(xiàn)處于懸浮狀態(tài)，極易拾取噪聲。分機與主機采用同組電源時(shí)，其噪聲幅度與信號幅度接近，如圖2（a）所示；當分機采用各自獨立電源時(shí)，其噪聲幅度大于2倍信號幅度，如圖2（b）所示。