1 問題的提出

　　在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡之一就是物理層采用RS-485通信接口所組成的工控設備網(wǎng)絡。這種通信接口可以十分方便地將許多設備組成一個控制網(wǎng)絡。從目前解決單片機之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當?shù)忍攸c而被廣泛應用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報警等領(lǐng)域。但RS485總線存在自適應、自保護功能脆弱等缺點，如不注意一些細節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS-485總線的運行可靠性至關(guān)重要。

　　圖1RS485通信接口原理圖

　　2 硬件電路設計中需注意的問題

　　2.1 電路基本原理

　　某節(jié)點的硬件電路設計如圖1所示，在該電路中，使用了一種RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用單一電源Vcc，電壓在+3～+5.5 V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達8 kV的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個瞬時過壓保護管，可承受高達400 V的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設計，當輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標準輸入阻抗的2倍(≥24 kΩ)，故可以在總線上連接64個收發(fā)器。芯片內(nèi)部設計了限斜率驅(qū)動，使輸出信號邊沿不會過陡，使傳輸線上不會產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機與SN75LBC184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性?；驹頌椋寒攩纹瑱CP1.6=0時，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，輸出高電壓(+5 V)，選中RS485接口芯片的DE端，允許發(fā)送。當單片機P1.6=1時，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導通，輸出低電壓(0 V)，選中RS485接口芯片的RE端，允許接收。SN75LBC184的R端(接收端)和D端(發(fā)送端)的原理與上述類似。

　　2.2 RS-485的DE控制端設計

　　在RS-485總線構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個網(wǎng)絡中任一時刻只能有一個節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個節(jié)點或2個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將會導致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個節(jié)點的硬件設計中，應首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)而導致總線數(shù)據(jù)沖突。以MCS51系列的單片機為例，因其在系統(tǒng)復位時，I/O口都輸出高電平，如果把I/O口直接與RS-485接口芯片的驅(qū)動器使能端DE相連，會在CPU復位期間使DE為高，從而使本節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時總線上有其他節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個總線因某一節(jié)點的故障而通信阻塞，繼而影響整個系統(tǒng)的正常運行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個節(jié)點的設計中應將控制RS485總線接口芯片的發(fā)送引腳設計成DE端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時，DE端為“0”;控制引腳為邏輯“0”時，DE端為“1”。在圖1中,將CPU的引腳P1.6通過光電耦合器驅(qū)動DE端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復位時使SN75LBC184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點因異常情況而對整個系統(tǒng)造成的影響。這就為整個系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎。

　　此外，電路中還有1片看門狗MAX813L，能在節(jié)點發(fā)生死循環(huán)或其他故障時，自動復位程序，交出RS-485總線控制權(quán)。這樣就能保證整個系統(tǒng)不會因某一節(jié)點發(fā)生故障而獨占總線，導致整個系統(tǒng)癱瘓。

　　2.3 避免總線沖突的設計

　　當一個節(jié)點需要使用總線時，為了實現(xiàn)總線通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽總線。在硬件接口上，首先將RS-485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至CPU的中斷引腳INT0。在圖1中，INT0是連至光電耦合器的輸出端。當總線上有數(shù)據(jù)正在傳輸時，SN75LBC184的數(shù)據(jù)接收端(R端)表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的CPU下降沿中斷(也可采用查詢方式)，能得知此時總線是否正“忙”，即總線上是否有節(jié)點正在通信。如果“空閑”，則可以得到對總線的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線沖突的問題。在此基礎上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級，使高優(yōu)先級的消息得以優(yōu)先發(fā)送，從而進一步提高系統(tǒng)的實時性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒有主、從節(jié)點之分，各個節(jié)點對總線的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個別節(jié)點通信負擔較重的情況。總線的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應的實時性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個別節(jié)點發(fā)生故障，也不會影響其他節(jié)點的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險”分散了，從某種程度上來說增強了系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。

　　2.4 RS-485輸出電路部分的設計

　　在圖1中，VD1～VD4為信號限幅二極管,其穩(wěn)壓值應保證符合RS-485標準，VD1和VD3取12 V,VD2 和VD4取7 V,以保證將信號幅度限定在-7～+12 V之間，進一步提高抗過壓的能力。考慮到線路的特殊情況(如某一節(jié)點的RS-485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其他分機的通信受到影響，在SN75LBC184的信號輸出端串聯(lián)了2個20 Ω的電阻R1和R2，這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線路設計時，在RS485網(wǎng)絡傳輸線的始端和末端應各接1個120 Ω的匹配電阻(如圖1中的R3)，以減少線路上傳輸信號的反射。

　　2.5系統(tǒng)的電源選擇

　　對于由單片機結(jié)合RS-485組建的測控網(wǎng)絡，應優(yōu)先采用各節(jié)點獨立供電的方案，同時電源線不能與RS-485信號線共用同一股多芯電纜。RS-485信號線宜選用截面積0.75 mm2以上的雙絞線而不是平直線,并且選用線性電源TL750L05比選用開關(guān)電源更合適。TL750L05必須有輸出電容，若沒有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現(xiàn)象。