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RS-485總線标準在海氣邊界層監測系統中的應用 [2017/4/6]

   引言
  海氣邊界層監測系統的主要功能是連續、自動獲取所在區域大氣邊界層近海面30米左右的溫濕廓線數據,以及風速、風向、氣壓和海表水溫等水文氣象要素數據,并進行實時數據存儲和顯示。
  海氣邊界層監測系統結構。系統由液位計傳感器、液位變送器傳感器、物位開關傳感器、電容式液位計傳感器、料位開關傳感器、電容式液位變送器傳感器、多層風速風向傳感器、多層溫濕傳感器、氣壓傳感器、水溫傳感器、水位傳感器等測量結點組成傳感器測量節點。數據采集器是系統的核心部分,負責接收、處理、存儲各傳感器測量節點的測量數據,并将測量結果傳輸至上位計算機,對計算機發出的各種命令予以響應。

  可以看出,系統各傳感器節點和數據采集器的通訊方式均是RS-485。RS-485采用平衡差分信号傳輸,比起RS-232的非平衡傳送方式在電氣指标、抑制共模幹擾能力、傳輸距離上都有了大幅度提高。RS-485串行接口的電氣标準屬于七層OSI(開放系統互連)模型物理層的協議标準。依賴其性能優異、結構簡單、容易組網的優點,RS-485總線标準得到了廣泛的應用。
  海氣邊界層監測系統采用RS-485總線的優點是所有的梯度觀測數據通過一根RS-485 通信電纜即可進行采集,而不需要将所有的傳感器信号與數據采集器連接,具有硬件設計簡單、控制方便、成本低廉的優點,而且便于系統維護和安裝。
  RS-485總線節點硬件設計
  RS-485總線節點的硬件圖。

  光電隔離
  由于系統安裝在通信設備密集的地區,現場情況複雜,各個節點之間存在很高的共模電壓。RS-485标準采用的是差分傳輸方式,具有一定的抗共模幹擾的能力,當共模電壓為-7V~+12V之間時可以保證通訊的正确性,但是當共模電壓超過RS-485接收器的極限範圍時,接收器将無法正常工作,嚴重時甚至會損壞芯片。 
  通過DC/DC轉換模塊将系統電源和RS-485收發器的電源隔離;通過光耦将差分信号線隔離,可徹底消除共模電壓的影響。實際應用中有以下兩種實現途徑:一是使用光耦、帶隔離的DC/DC電源模塊和RS-485芯片;另一種方法是使用全集成芯片,如PS1480、MAX1480等。本設計采用第一種方案,具有成本低廉,使用廣泛、芯片易于選購等優點。
  該電路使用兩片6N136實現系統與RS-485接口芯片之間的數據隔離,使得他們之間完全沒有電氣聯接,提高了電路的穩定性和可靠性。6N136是特性優良的光電耦合器件,具有體積小、壽命長、抗幹擾性強、隔離電壓高(可達3500V)、高速度、與TTL邏輯電平兼容等優點。6N136最顯著的特點是高速度,所以廣泛應用在高速數字通信接口中。它的數據波特率可達500kbps以上,而一般的光電耦合器件如4N25等隻有幾k的波特率。如果在實際應用中要求的數據傳送速率不是很高也可以使用4N25、TLP521等普通光耦,以降低成本。
  隔離電源
  節點的隔離電源使用了一片IB0505LS來實現。它是金升陽公司生産的小型隔離穩壓型高效DC/DC轉換器,它的輸入電壓為5V,輸出為穩定的5V隔離電壓,最大輸出電流為200mA,轉換效率可達80%以上。特别适用于小電流隔離和DC電壓變換、及線路空間較小的電源系統,用它可以實現RS-485節點與總線的電源隔離。
  RS-485轉換
  根據RS-485标準規定,接收器的接收靈敏度為±200mV,即接收端的差分電壓≥200 mV時,接收器輸出為高電平;≤-200mV時,接收器輸出為低電平;而A、B端電位差的絕對值小于200mV時,輸出為不确定狀态。一般在總線空閑、傳輸線開路或短路故障時,可能會出現這種狀态,此時CPU的串行口接收端可能出現高電平也可能出現低電平,會導緻串口找不到起始位,導緻通信異常。
  本設計使用MAXIM公司的用于RS-485和RS-422通信的低功耗收發器件MAX3082,它具有在總線開路、短路和空閑情況下使接收器的輸出為高電平的功能,這樣CPU的RXD電平在RS-485總線空閑時是唯一的高電平,從而達到故障保護的目的。此外,MAX3082最多允許挂接256個節點,對于節點數目要求較多的場合比較适用。
  MAX3082的收發控制端是使用CPU的一個I/O來控制的。在系統複位時,I/O默認都輸出高電平。如果把I/O口直接與MAX3082的收發控制端相連,會在CPU複位期間為高,從而使本節點處于發送狀态。如果此時總線上有其它節點正在發送數據,則此次數據傳輸将被阻斷,嚴重者可能導緻整個總線的癱瘓。為了保證上電時RS-485芯片始終處于接收狀态,并考慮到系統工作的穩定性和可靠性,每個RS-485節點的收發控制端的設計都應當使用反邏輯。實際實現方法是CPU的I/O引腳使用一片單反向器芯片74AHC1G14進行反向後與MAX3082的收發控制端進行相連。當CPU的I/O引腳輸出1時,MAX3082進入接收狀态,當CPU的I/O引腳輸出0時,MAX3082進入發送狀态。通過增加反相器進行控制,而不采用控制芯片引腳直接進行控制,可以防止節點上電時對總線的幹擾,從而有效地避免因節點異常情況而對整個總線系統造成影響。
  與總線接口部分
    RS-485總線為并接式三線制(包含一個地)接口,總線上隻要有一個節點發生故障就有可能将總線“拉死”。因此,數據端口A、B與總線之間應加以隔離。在這裡我們的做法是,A、B與總線之間各串接一隻100mA的PTC自恢複保險,同時與地之間各跨接5V的TVS二極管,以消除線路浪湧幹擾。