RS-485總線(xiàn)在多節點(diǎn)遠距離通信系統中的應用

介紹RS-485接口SN65HVD3082E芯片的結構、性能特點(diǎn)，及以該芯片為主的通信系統的構成，包括它們的硬件電路和軟件設計方法；說(shuō)明了該系統的優(yōu)點(diǎn)及應用領(lǐng)域。

SN65HVD3082E芯片是一款為RS-485數據總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )而設計的半雙工的收發(fā)器。它由+5V供電，與TIA/EIA-485A標準完全兼容。通過(guò)控制輸出轉換時(shí)序，它能夠在長(cháng)距離雙絞線(xiàn)電纜上傳輸高達200kbps速率的信號。它的供電電流極低，一般小于0.6mA，當處于不活動(dòng)的關(guān)閉模式時(shí)，供電電流只有幾個(gè)nA，所以特別適合于低功耗方面的應用。它具有寬的共模抑制范圍和高靜電放電保護能力，因此，適用于噪聲容限要求很高的場(chǎng)合。SN65HVD3082E與SN75176的工業(yè)標準封裝相匹配。它的上電復位電路能使輸出保持高阻狀態(tài)直至供電電壓穩定，其熱關(guān)斷功能還可以保護芯片不因系統故障而損壞。它的管腳圖如圖1所示，內部功能圖如圖2所示。其他特性還有：在一條總線(xiàn)上可以多達256個(gè)節點(diǎn)；總線(xiàn)引腳上的防靜電保護超過(guò)16kV，接收器帶故障保護。

2.1系統總體設計

系統由一臺IBM-PC機和多個(gè)AT89C52單片機構成，采用主從式結構，以AT89C52芯片為核心的從機既可以獨立地完成數據處理和控制任務(wù)，又可以將數據傳給上位PC機。PC機將這些數據進(jìn)行處理、顯示、打印，同時(shí)將各種控制命令傳給各個(gè)從機，以實(shí)現集中管理和最優(yōu)控制。它們之間的通信由SN65HVD3082E芯片完成。組成框圖如圖3所示。在接口之間接有匹配電阻，用于吸收總線(xiàn)上的反射信號，保證正常傳播信號干凈、無(wú)毛刺(其取值與總線(xiàn)的特性阻抗相當)。當總線(xiàn)上沒(méi)有信號傳輸時(shí)，總線(xiàn)處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。在總線(xiàn)上，差分信號的正端和+5V電源間接一個(gè)10kΩ的電阻；正端和負端之間也接一個(gè)10kΩ的電阻；負端和地之間再接一個(gè)10kΩ的電阻，形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò )。當總線(xiàn)上沒(méi)有信號傳輸時(shí)，正端的電平大約為3.2V，負端的電平大約為1.6V，即使有干擾信號，也很難產(chǎn)生串行通信的起始信號0，從而增加了總線(xiàn)抗干擾的能力。

2.2RS232/RS485的轉換部分

選用DAQ485A系列產(chǎn)品DAQ485A-6N作為RS-232/RS-485轉換器。其一端為DB9S插頭，可直接與PC機的RS-232口相連，而其另一端為四端子接線(xiàn)座，分別為A、B、GND、VCC?？捎捎嬎銠CRS-232口直接供電，亦可在VCC和GND間外接+5V直流電源；DQ485A轉換器內部具有自動(dòng)處理功能，外部電源不影響內部竊電，內部竊電亦不影響外部電源，因此，兩者可分而供之，亦可同時(shí)供之。DAQ485A-6N系列使用了TI的E系列ESD保護器件，因此，適合于長(cháng)線(xiàn)室外使用。圖4是RS-232/RS-485轉換器與RS-485的連線(xiàn)圖。

本系統軟件設計以Windows 98為平臺，采用Delphi和C++語(yǔ)言設計，下面僅介紹上下位機通信及界面的主要程序的設計思想和設計方法。通信軟件必須符合RS-485協(xié)議標準。因此上位機與下位機之間嚴格實(shí)行主從結構形式的通信方式，上位機為主，下位機為從。一切都由主機控制，任一時(shí)刻主機只與一臺從機傳輸信息，從機之間不能直接通信，若要通信可通過(guò)主機實(shí)觀(guān)。數據通信波特率定為9600波特，每個(gè)從機都有唯一的地址號，用來(lái)區分各從機。單片機的數據通信由串口完成，定時(shí)器T1為波特發(fā)生器，數據傳送格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，1位可編程位(TB8)。工作方式：定時(shí)器T1設置為方式2，串口設置為工作方式3。單片機通過(guò)中斷方式發(fā)送和接收數據。由于RS-485是一種半雙工通信方式，發(fā)送與接收共用同一物理信道。各任何時(shí)刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此，要求應答的單機必須在偵聽(tīng)到總線(xiàn)上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢，且沒(méi)有其他單機發(fā)出應答信號的情況下才能應答。主從機的時(shí)序有嚴格的要求，若配合不好會(huì )發(fā)生總線(xiàn)沖突，使系統的通信癱瘓，無(wú)法正常。應采取的措施：(1)復位時(shí)，主從機均應處于接收狀態(tài)。在軟件設計時(shí)，應使系統上電或正式通信前對串口做幾次空操作，清除端口的非法數據和命令；(2)控制端RE和DE信號的有效脈寬應大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度；(3)總線(xiàn)上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時(shí)序上應完全隔開(kāi)，避免總線(xiàn)沖突。主機程序流程圖如圖5所示，下位機通信框圖如圖6所示。

由于RS485總線(xiàn)傳輸距離長(cháng)(1200米以上)，而且其傳輸線(xiàn)通常暴露于戶(hù)外，因此極易因為雷擊等原因遭受過(guò)電壓的沖擊。而RS-485收發(fā)器工作電壓較低(+5V左右)，其本身耐壓也非常低(-7V～+12V)，一旦遭受過(guò)電壓的沖擊，就會(huì )被擊穿損壞。在有強烈的浪涌電能出現時(shí)，甚至會(huì )使收發(fā)器爆裂，線(xiàn)路板燒焦。因此，除采用防護電路、選擇優(yōu)質(zhì)的防護器件、良好的PCB板設計之外，還采用可靠的接地技術(shù)(接地電阻不能超過(guò)10Ω)。

由RS-485總線(xiàn)構成的多節點(diǎn)遠距離通信系統可用于倉庫通信、電視監控、機器人焊接、考勤機、水表集抄、高速公路收費、脈沖功率裝置、數據采集、工業(yè)控制等諸多系統中。它具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、價(jià)格低、穩定性好、電路簡(jiǎn)單等許多優(yōu)點(diǎn)，應用前景廣闊。