RS485簡介及與其他總線網絡的區別

作者:北京科斯特自動化設備有限公司  來源/微信公眾號:bjkesite 發布日期:2019-10-28


一、RS485簡介 智能儀表是隨著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能儀表所壟斷。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,后來儀表接口是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。隨后出現的RS485解決了這個問題。下面我們就簡單介紹一下RS485。二、RS485接口 RS485采用差分信號負邏輯,+2V~+6V表示“0”,- 6V~- 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線,四線制只能實現點對點的通信方式,現很少采用,現在多采用的是兩線制接線方式,這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式,即一個主機帶多個從機。很多情況下,連接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”端連接起來。而忽略了信號地的連接,這種連接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接口采用差分方式傳輸信號方式,并不需要相對于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范圍,RS-485收發器共模電壓范圍為-7~+12V,只有滿足上述條件,整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。(2)EMI問題:發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),就會以輻射的形式返回源端,整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。 由于PC機默認的只帶有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,對于情況比較復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產品。(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。三、RS485電纜 在一般場合采用普通的雙絞線就可以,在要求比較高的環境下可以采用帶屏蔽層的同軸電纜。在使用RS485接口時,對于特定的傳輸線路,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影響所影響。理論上RS485的最長傳輸距離能達到1200米,但在實際應用中傳輸的距離要比1200米短,具體能傳輸多遠視周圍環境而定。在傳輸過程中可以采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9.6公理。如果真需要長距離傳輸,可以采用光纖為傳播介質,收發兩端各加一個光電轉換器,多模光纖的傳輸距離是5~10公里,而采用單模光纖可達50公里的傳播距離。四、RS485布網 網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構,不支持環形或星形網絡。在構建網絡時,應注意如下幾點: (1)采用一條雙絞線電纜作總線,將各個節點串接起來,從總線到每個節點的引出線長度應盡量短,以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。有些網絡連接盡管不正確,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后與原信號疊加,會造成信號質量下降。 (2)應注意總線特性阻抗的連續性,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:總線的不同區段采用了不同電纜,或某一段總線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總線。 總之,應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線。 在RS485組網過程中另一個需要主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絡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采樣時,只要反射信號在開始采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什幺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)超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。 一般終端匹配采用終端電阻方法,RS-485應在總線電纜的開始和末端都并接終端電阻。終接電阻在RS-485網絡中取120Ω。相當于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,對于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。利用一只電容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。還有一種采用二極管的匹配方法,這種方案雖未實現真正的“匹配”,但它利用二極管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于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、控制室的局域網的現狀,推出了串口服務器來取代多串口卡,這主要是利用企業已有的局域網資源減少線路投資,節約成本,相當于通過tcp/ip把多串口卡放在了現場。 RS485和其它總線網絡的區別: 我們把工業網絡歸結為三類:RS485網絡、HART網絡和現場總線網絡。HART網絡:HART是由現在的艾默生提出一個過度性總線標準,他主要是在4~20毫安電流信號上面疊加數字信號,物理層采用BELL202頻移鍵控技術,以實現部分智能儀表的功能,但此協議不是一個真正意義上開放的標準,要加入他的基金會才能拿到協議,加入基金會要一部分的費用。技術主要被國外幾家大公司壟斷,近兩年國內也有公司再做,但還沒有達到國外公司的水平。現在有很大一部分的智能儀表都帶有HART圓卡,都具備HART通訊功能。但從國內來看還沒有真正利用其這部分功能,最多只是利用手操器對其進行參數設定,沒有發揮出HART智能儀表應有的功能,沒有聯網進行設備監控。從長遠來看由于HART通信速率低組網困難等原因,HART儀表的采購量會程下滑趨勢,但由于HART儀表已經有十多年的歷史現在在裝數量非常的大,對于一些系統集成商來說還有很大的可利用空間。 現場總線網絡:現場總線技術是當今自動化領域技術發展熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網,它的出現標志著自動化控制技術又一個新時代的開始。現場總線是連接設置在控制現場的儀表與設置在控制室內的控制設備的數字化、串行、多站通信的網絡。其關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通信。現場總線技術近年來成為國際上自動化和儀器儀表發展的熱點,它的出現是傳統的控制系統結構產生了革命性的變化,是自控系統朝著智能化、數字化、信息化、網絡化、分散化的方向邁進,形成新型的網絡集成式全分布式控制系統---現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。但是現在的現場總線的各種標準并行存在并且都有自己的生存領域,還沒有形成真正統一的標準,關鍵是看不到什幺時候能形成統一的標準,技術也不夠成熟。另外現場總線的儀表種類還比較少可供選擇的余地小,價格也偏高,從最終用戶的角度看大多還處于觀望狀態,都想等到技術成熟之后在考慮,現在實施的少。RS485網絡:RS485/MODBUS是現在流行的一種布網方式,其特點是實施簡單方便,而且現在支持RS485的儀表又特多,特別是在油品行業RS485/MODBUS簡直是一統天下,現在的儀表商也紛紛轉而支持RS485/MODBUS,原因很簡單,象原來的 HART儀表想買一個轉換口非常困難而且價格昂貴,RS485的轉換接口就便宜的多而且種類繁多。至少在低端市場RS485/MODBUS還將是最主要的組網方式,近兩三年內不會改變。
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