基于RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺(tái)站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成與通信可靠性分析

1、基于RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺(tái)站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成與通信可靠性分析【摘要】本文通過(guò)本臺(tái)的工程實(shí)踐介紹了通信傳輸采用RS-485接口的廣播電視發(fā)射臺(tái)站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的不同組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性進(jìn)行分析并提出合理的解決方案。【關(guān)鍵字】RS-485，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，穩(wěn)定性，可靠性 RS-485標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介RS485標(biāo)準(zhǔn)全稱為TIA/EIA-485-A，是由美國(guó)電子業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)于1983年制定并發(fā)布。RS485標(biāo)準(zhǔn)是在RS-422標(biāo)準(zhǔn)上發(fā)展而來(lái)，RS422標(biāo)準(zhǔn)彌補(bǔ)RS232通信距離短、傳輸速率低、只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)热秉c(diǎn)定義了一種平衡通信接口，將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Mps，傳輸

2、距離最大可至1200m（通信速率低于100Kps），并允許在一條總線上最多連接10接收器，它的工作方式為單機(jī)發(fā)送多機(jī)接收的單向傳輸規(guī)范。RS485接口標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)電平范圍，隨后又在它的基礎(chǔ)上增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器同時(shí)工作在一條總線上，并增加了發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線的共模范圍。RS485只是一個(gè)電器接口方案，它只規(guī)定的接口的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通訊協(xié)議。RS485標(biāo)準(zhǔn)定義了一基于一對(duì)平衡雙絞線的多點(diǎn)、雙向通信鏈路，是一個(gè)具有較強(qiáng)抗共模干擾、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高并具有相當(dāng)高的噪聲抑制的通信平臺(tái)。RS-485接口在廣播電視發(fā)射

3、機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及它在工程實(shí)踐日益廣泛的應(yīng)用，一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)往往由多部功能迥異的設(shè)備組成，這就存在分散、多站、遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸接口RS-485工作在七層ISO網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的第一層“數(shù)據(jù)鏈路層”，能用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它組網(wǎng)設(shè)備簡(jiǎn)單、靈活、價(jià)格低廉，在目前的廣播電視監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的運(yùn)用。 但是在廣播電視發(fā)射臺(tái)這種復(fù)雜電磁環(huán)境中，影響數(shù)據(jù)幀傳輸中出錯(cuò)的主要有三方面原因，一是不正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?dǎo)致的不同終端的數(shù)據(jù)干擾，二是組成RS-485信號(hào)隨著傳輸距離和信號(hào)傳輸速率的提高在線路上產(chǎn)生反射、衰減、串?dāng)_、共地噪聲引起的信號(hào)畸變與雷電、靜電等造成485通信的中

4、斷甚至設(shè)備485接口損壞使整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，三是由于屏蔽不良導(dǎo)致的誤碼。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成為有而不用、不能用、華而不實(shí)的雞肋系統(tǒng)。因此解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊故障使計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠的工作是能否真正、有效的實(shí)現(xiàn)發(fā)射設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控、遠(yuǎn)程監(jiān)視的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。我臺(tái)發(fā)射機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)工程實(shí)踐分析一、 總線型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)圖如一、二【表一】設(shè)備RS485引腳定義：DB9M235RS485DATA+DATA-GND【表二】RS485轉(zhuǎn)接頭引腳定義：DB9M1234RS485DATA+DATA-GND+9V本例是本臺(tái)搭建的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò),主要目的是驗(yàn)證方案的可行性。它的特點(diǎn)是總線結(jié)構(gòu)，組成簡(jiǎn)單，僅采用一根CAT5

5、網(wǎng)線，一個(gè)485/232轉(zhuǎn)接頭構(gòu)成系統(tǒng)，CAT5網(wǎng)線中每對(duì)雙絞線連接一臺(tái)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)的類型有電視、調(diào)頻，最遠(yuǎn)設(shè)備距離20米。發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：（1）信號(hào)干擾嚴(yán)重，用示波器看波形有嚴(yán)重的高頻干擾和接地噪聲干擾且無(wú)法消除，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致信號(hào)中斷，甚至系統(tǒng)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性差。 （2）各發(fā)射機(jī)之間有相互干擾現(xiàn)象，觀察到發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)頻頻重啟現(xiàn)象。解決的方法：在每個(gè)設(shè)備485接口處接120匹配電阻。結(jié)論：RS-485 接口所構(gòu)成的通信鏈路。采用終端匹配總線型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴恢С汁h(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。最好采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，將引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的

6、影響降至最低。圖一所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)際上是不恰當(dāng)?shù)模▓D二是圖一的等效網(wǎng)絡(luò)）該網(wǎng)絡(luò)連接盡管在短距離、低速率情況下仍然可以工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致誤碼甚至信號(hào)被噪聲淹沒(méi)而中斷。主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加造成信號(hào)質(zhì)量下降。除此之外還應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。例如，總線的不同區(qū)段采用不同電纜，或者是有過(guò)長(zhǎng)分支線引出總線時(shí)都會(huì)出現(xiàn)阻抗不連續(xù)點(diǎn)?？傊?，應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。 二、 星型網(wǎng)絡(luò) 1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖三圖三隨著近年來(lái)機(jī)房發(fā)射設(shè)備的成倍增加，機(jī)房的電磁環(huán)境日益復(fù)雜該系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)也突

7、出的顯現(xiàn)出來(lái)，如多機(jī)并聯(lián)所帶來(lái)的總線數(shù)據(jù)干擾、并聯(lián)結(jié)構(gòu)中任一接口單元短路帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)癱瘓、RS485接口驅(qū)動(dòng)能力不足、硬件連接不靈活、關(guān)系節(jié)點(diǎn)多等一系列問(wèn)題。以串口服務(wù)器為核心的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造徹底的解決了原有系統(tǒng)的缺點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由總線型改為星型，改數(shù)據(jù)傳輸由低層的物理鏈路層至網(wǎng)絡(luò)/傳輸層，傳輸協(xié)議采樣通用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP協(xié)議，使得具有RS485接口的發(fā)射設(shè)備就如同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的DTE(數(shù)據(jù)終端)，設(shè)備接入退出自如、組網(wǎng)靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠，同時(shí)能靈活的采樣適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)更方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。2、串口服務(wù)器的規(guī)劃設(shè)置串口網(wǎng)絡(luò)設(shè)置IP：27.12.94.2MASK:255.2

8、55.255.0GATE:27.12.94.1端口設(shè)置：1-16口 REAL REPORT 485工作模式 3、程序服務(wù)器設(shè)置控制面板COM port over TCP/IP進(jìn)行對(duì)串口服務(wù)器端口的映射。（如圖四）圖四4、 復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾措施。RS485接口雖采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，抗噪聲干擾性好，但由于機(jī)房中的電磁環(huán)境復(fù)雜，強(qiáng)電磁環(huán)境可能在傳輸線上產(chǎn)生足以淹沒(méi)RS485信號(hào)的共模信號(hào)，為此采樣帶屏蔽的超五類雙絞線做為數(shù)據(jù)連線，連接方式上采樣雙絞線連接（接口定義見(jiàn)下表），這些措施有效的遏制了共模干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊??！颈砣堪l(fā)射機(jī)與串口服務(wù)器連接接口定義RJ4

9、5序號(hào)12345678顏色橙白綠白橙綠藍(lán)白藍(lán)棕白棕RS485DATA+DATA-GNDDB9M235影響RS485通訊的可靠性四個(gè)因素與對(duì)策1、 通信電纜中的信號(hào)反射問(wèn)題信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中有兩個(gè)原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)與阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線的末端突然遇到電纜的阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在此處就會(huì)引起反射。這就如同發(fā)射設(shè)備中由于終端不匹配所產(chǎn)生反射的原理一樣，解決這一問(wèn)題就是采取“匹配”措施，方法是電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻（120），如圖五所示。圖五

10、從理論上分析，傳輸線的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻就不會(huì)有發(fā)射現(xiàn)象，但在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中由于應(yīng)用環(huán)境終端電阻不可能和傳輸線特性阻抗完全一致，因此在傳輸線上或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。阻抗不匹配指的是傳輸線與485接口輸入/輸出電阻的不匹配。這種原因引起的反射主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的混亂。信號(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。

11、圖六RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：（如圖六）（1） 把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。（2） 在一段總線上只用一對(duì)偏置電阻。這種方法對(duì)總線上存在大的反射信號(hào)或干擾信號(hào)比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載，減少了系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。2、 通信電纜的衰減問(wèn)題一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路（圖七），電纜的分布電容主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。當(dāng)傳輸線足夠短時(shí)其等效電阻影響很小可以忽略不計(jì)，信號(hào)的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感

12、組成的LC低通濾波器。分布電容對(duì)總線傳輸性能的影響，主要是因?yàn)榭偩€上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有1和0。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號(hào)0使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)1到來(lái)時(shí)，由于分布電容中的電荷，來(lái)不及放電，接收器VAB還大于200mV，結(jié)果使接收器誤認(rèn)為是0，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。圖七解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法：（1） 降低數(shù)據(jù)傳輸波特率（2） 采用分布電容小的電纜，提出傳輸質(zhì)量。3、 系統(tǒng)的接地問(wèn)題簡(jiǎn)單方式中，RS-485 網(wǎng)絡(luò)僅需要 2 根信號(hào)線（A 和 B）即可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。但在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，例如各個(gè)RS-485節(jié)點(diǎn)的地電壓存在較大

13、偏差的情況下，需要將地信號(hào)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一根導(dǎo)線。電子系統(tǒng)接地是很重要的，但常常被忽視。接地處理不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作甚至危及系統(tǒng)安全。RS-485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地同樣也是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格，否則接口器件的損壞率較高。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)，而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但很多時(shí)候共模干擾問(wèn)題無(wú)法解決。RS-485 接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照

14、點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485 收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12V，只有滿足上述條件，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口器件。 以圖八為例，當(dāng)發(fā)送發(fā)送器 A 向接收器 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送發(fā)送器 A 的輸出共模電壓為 VOS，由于兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差 VGPD。那么，接收器輸入端的共模電壓 VCM就會(huì)達(dá)到 VCM=VOS+VGPD。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定 VOS3V，但 VGPD可能會(huì)有很大幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致

15、使接收器共模輸入 VCM 超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。圖八所以RS-485接口盡管采用差分平衡的傳輸方式傳送數(shù)據(jù)，但對(duì)整個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地，將共模干擾VGPD短路。對(duì)內(nèi)阻高的共模干擾通常的做法是將接口用一額外的線短接（非屏蔽雙絞線）或用屏蔽雙絞線的屏蔽層作為地線。但對(duì)于內(nèi)阻較小的共模干擾則上述方法不能用，因?yàn)檫@會(huì)在接地線環(huán)路上產(chǎn)生很大的接地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)的正常通信。通常采用方法如下：（1） 如果干擾源內(nèi)阻不是很小。在不超過(guò)收/發(fā)器共模電壓的情況下，可以在接地線上加限流電阻來(lái)限制干擾電流。（2） 采用隔離接口同時(shí)要

16、求隔離側(cè)的公共端與其它接口的工作地相連。4、 防雷保護(hù)問(wèn)題 對(duì)廣播電視發(fā)射臺(tái)尤其是高山臺(tái)來(lái)說(shuō)遭受雷擊是常態(tài)現(xiàn)象，根據(jù)有關(guān)資料當(dāng)雷云對(duì)地釋放能量時(shí)，有3040的能量以電磁波的形式輻射出去形成感應(yīng)雷，這種強(qiáng)烈的瞬變干擾會(huì)對(duì)落雷點(diǎn)周邊2公里范圍內(nèi)的電子設(shè)備、傳輸信號(hào)線上產(chǎn)生很高的瞬變電壓，造成設(shè)備的損壞，在我臺(tái)的工程實(shí)踐中也多次出現(xiàn)雷擊損壞RS-485接口、串口服務(wù)器等監(jiān)控設(shè)備，使監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。解決的方案：（1） 采用具有光電隔離保護(hù)方案。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流起到保護(hù)接口的作用。現(xiàn)在已有廠家生產(chǎn)出具有上述功能的IC如75LBC184/65LBC184其隔離電壓達(dá)2500V3000V。（2） 采用旁路保護(hù)方案。就是利用瞬態(tài)抑制元件將瞬態(tài)涌浪提供一低阻對(duì)地通道快速瀉放到地。為此我們利用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性設(shè)計(jì)制作了串口服務(wù)器的保護(hù)隔離轉(zhuǎn)接板，經(jīng)多次雷擊考驗(yàn)未出現(xiàn)設(shè)備損壞現(xiàn)象。如圖九原理圖PCB圖實(shí)物圖圖九在工程實(shí)踐中宜將二者結(jié)合使用，隔離接口對(duì)大幅度