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以工控環(huán)境中的分布式監測系統為應用背景,設計和實(shí)現了一種高可靠性隔離型RS422通信接口方案。方案中采用了隔離、防浪涌、阻抗匹配、奇偶校驗、幀校驗等多種軟硬件措施來(lái)提高接口的可靠性。經(jīng)環(huán)境試驗和電磁兼容試驗驗證,該方案很好得解決了監測系統中各個(gè)傳感器節點(diǎn)和接入節點(diǎn)之間的可靠通信問(wèn)題。 1 引言 現代工業(yè)測控系統中，系統之間以及系統內部經(jīng)常需要進(jìn)行數據通信。通信分無(wú)線(xiàn)和有 線(xiàn)兩種方式，由于無(wú)線(xiàn)通信的可靠性不及有線(xiàn)通信，因此在工業(yè)環(huán)境中一般選用有線(xiàn)通信。 對于有線(xiàn)通信既可以采用并行數據總線(xiàn)方式進(jìn)行，也可以采用串行數據總線(xiàn)方式來(lái)進(jìn)行，不 同的總線(xiàn)適合不同的應用環(huán)境。一般我們在設計接口方案的時(shí)候，總是在滿(mǎn)足系統需求的前 提下選擇成熟穩定可靠且易于實(shí)現接口方案。 在我們開(kāi)發(fā)的分布式監測系統中，傳感器節點(diǎn)需要盡可能將信號無(wú)失真穩定可靠得傳 輸到接入節點(diǎn)。從通信的可靠性考慮我們放棄了布點(diǎn)靈活方便的無(wú)線(xiàn)通信方式，選擇了有線(xiàn) 通信�？紤]到實(shí)際的應用情況，傳感器需要分布在監測范圍的各個(gè)角落，各個(gè)傳感器與接入 節點(diǎn)直接的通信距離不一，從幾米到上百米均有可能。如果傳感器和接入節點(diǎn)直接選用模擬 信號直接傳輸的方式，對于那些傳輸距離遠的傳感器節點(diǎn)，其信號衰減會(huì )很?chē)乐�，信噪比�?huì ) 降低很多，同時(shí)傳輸過(guò)程中也會(huì )引入干擾，因此傳感器節點(diǎn)需要將采集到的信號數字化，然 后通過(guò)數字接口將信號發(fā)送出去。由于數字信號抗干擾性強，可以無(wú)失真的傳輸，因此信號 失真只存在傳感器對其數字化的過(guò)程中。有線(xiàn)數字通信的方式比較多，如果采用并行數據總 線(xiàn)，那么傳感器節點(diǎn)和接入節點(diǎn)之間的連線(xiàn)數量會(huì )較串行總線(xiàn)大大增加，會(huì )給布點(diǎn)帶來(lái)不便 和增加成本，因此在工程上長(cháng)距離通信時(shí)一般都采用串行通信。由于分布式監測系統中傳感 器節點(diǎn)和接入節點(diǎn)之間的通信對傳輸距離有一定要求，對可靠性要求高，但對通信速率要求 不高，最后我們選用了實(shí)現簡(jiǎn)單、抗干擾性強、通信距離遠的RS422接口。雖然RS422采用的 是差分傳輸方式，抗干擾能力強，但如果只是簡(jiǎn)單的采用一般的設計方案，在溫濕度及電磁 環(huán)境十分惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍會(huì )出現接口故障甚至損壞，因此有必要從軟硬件上面引入更多 的抗干擾、保護、偵錯等措施來(lái)提高接口的可靠性。 2 RS422 標準及分布式監測系統介紹 RS422是一種在工程中廣泛使用的接口標準，它采用差分傳輸方式，也稱(chēng)為“平衡傳輸”，標準全稱(chēng)是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”�？梢�(jiàn)RS422定義的是接口電路的電氣特 性，而對數據格式?jīng)]有做定義。RS422是全雙工通信，通信的雙方均含有一個(gè)發(fā)送驅動(dòng)器和 接收驅動(dòng)器。其中接收驅動(dòng)器的兩個(gè)平衡線(xiàn)連接端點(diǎn)定義為A和B，發(fā)送驅動(dòng)器的兩個(gè)平衡線(xiàn) 連接端點(diǎn)定義為Y和Z，一般使用平衡雙絞線(xiàn)將一端的Y和A、Z和B連接起來(lái)。通常情況下，發(fā) 送驅動(dòng)器端Y、Z之間的正電平在+2～+6V，代表正邏輯，負電平在-6～-2V，代表負邏輯。在 接收端，當A、B之間有大于+200mV 的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV 時(shí)，輸出負邏 輯電平。RS422最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其中平衡雙 絞線(xiàn)的長(cháng)度與傳輸速率成反比，在100Kb/s速率下，才能達到最大傳輸距離。只有在很短的 距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(cháng)的雙絞線(xiàn)能獲得的最大傳輸速率為1Mb/s。 本文中所設計的RS422接口方案主要用于工控環(huán)境中的分布式監測系統，此系統的結構 示意圖如圖1所示。該系統主要可分為四個(gè)層次結構：服務(wù)器、交換機、接入節點(diǎn)、傳感器 節點(diǎn)。其中傳感器節點(diǎn)負責采集信號，首先對信號進(jìn)行放大和抗混疊濾波，然后通過(guò)A/D芯 片將模擬信號轉換為數字信號，最后通過(guò)RS422接口將采集到的數據傳送給接入節點(diǎn)；接入 節點(diǎn)一方面負責接收來(lái)自服務(wù)器的命令，對各個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行管理，另一方面將來(lái)自于近 端的各個(gè)傳感器節點(diǎn)的有效數據通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送給遠端的服務(wù)器；交換機主要作用是將 服務(wù)器和各個(gè)接入節點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)連接起來(lái)；服務(wù)器則負責數據的接收、分析、存儲并顯示 結果以及對整個(gè)系統的管理。 3 RS422 接口硬件電路設計 為保證接口的可靠性，電路設計中要考慮到芯片的選擇、接地、阻抗匹配、電氣保護等 問(wèn)題。市面上可供選擇的RS422接口芯片種類(lèi)很多，為了防止瞬態(tài)高壓對接口的破壞以及有 效隔離各個(gè)系統模塊直接的相互干擾，本方案選用的是美信公司的隔離型RS422接口芯片 MAX1490 AEPG。采用隔離的設計方案可以將瞬態(tài)高壓轉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，可以有效防止浪涌及靜電對接口的損害。 MAX1490A轉換速率可達5.5Mbps，隔離電壓可以到2500V，可以承受高電壓持續時(shí)間較長(cháng)的瞬 態(tài)干擾。同時(shí)MAX1490A是將高頻變壓器、光耦、MAX490等元件集成到一個(gè)IC里面的單芯片， 電路實(shí)現起來(lái)也比較容易。MAX1490 AEPG是MAX1490A系列中的一款工業(yè)級芯片，使用溫度范 圍較商用級更廣，為-40°C 到 +85°C。使用MAX1490AEPG設計的電路原理圖如圖2： 圖2 MAX1490A 硬件電路圖 此原理圖參考了MAX1490A的數據手冊的典型應用電路圖。其中接口電路采用5V供電，C1、 C2是去耦電容，R3、R5、R6、R8取數據手冊建議參考值。R1、R2為匹配電阻，可以降低信號 反射。R1、R2的取值取決于采用的傳輸數據線(xiàn)的阻抗，通常數雙絞線(xiàn)特性阻抗大約在100 至 120 之間，所以R1、R2通常取120歐姆。實(shí)際應用中，匹配電阻并不一定需要。由于接收器 是在每個(gè)數據位的中點(diǎn)采樣數據的，只要反射信號在開(kāi)始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮 匹配。具體而言R1、R2是否需要取決于數據傳輸速率、電纜長(cháng)度及信號轉換速率，有一條經(jīng) 驗性的準則可用來(lái)判斷在什么樣的數據速率和電纜長(cháng)度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當信號的上升或下 降時(shí)間超過(guò)電信號沿總線(xiàn)單向傳輸所需時(shí)間的3倍以上時(shí)就可以不加匹配。例如對MAX1490A 而言，輸出信號的上升或下降時(shí)間典型值為15ns，通常雙絞線(xiàn)上的信號傳輸速率約為 0.2m/ns， 當電纜長(cháng)度不超過(guò)１米的時(shí)候可以不用焊接R1、R2。RS422接口的接地是一個(gè)非 常重要的問(wèn)題，接地處理不當經(jīng)常會(huì )導致不能穩定工作甚至危及系統安全，沒(méi)有一個(gè)合理的 接地系統可能會(huì )使系統的可靠性大打折扣，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣的情況下對于接地的 要求更為嚴格。很多設計者認為RS422采用差分傳輸，通信鏈路可以不需要信號地，從而只 是簡(jiǎn)單地用一對雙絞線(xiàn)將對應數據端口連接起來(lái)。這種接線(xiàn)方法在一般情況下也可以工作， 但給系統埋下了極大的隱患，主要會(huì )導致EMC和共模干擾導致數據出錯兩個(gè)問(wèn)題。RS422 接 口采用差分方式傳輸信號，只需檢測兩線(xiàn)之間的電位差就可以判斷數據值，但前提是收發(fā)驅 動(dòng)器只有在共模電壓不超出一定范圍（-7V 至+12V ）的條件下才能正常工作，當共模電壓 超出此范圍就會(huì )導致接收驅動(dòng)器接收數據出錯，甚至有可能損壞接口。另外驅動(dòng)器輸出信號 中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如果沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號地），就會(huì )以輻射的 形式返回源端，整個(gè)總線(xiàn)就會(huì )像一個(gè)巨大的天線(xiàn)向外輻射電磁波，同樣傳輸線(xiàn)也很容易受到 外界的電磁干擾。因此圖2中的RS422接口的隔離地線(xiàn)需要通過(guò)傳輸線(xiàn)纜的屏蔽層連接起來(lái)， 另外在設計PCB布線(xiàn)和覆銅的時(shí)候需要注意將信號地和隔離地之間保持一定的距離，最好在 芯片下面的PCB導一個(gè)長(cháng)方形的槽，這樣可以有效防止爬電，以保證MAX1490A的2500V隔離效 果。穩壓管D1～D8的作用是把數據傳輸線(xiàn)的電壓牢牢限制在-7V至+12V，以有效保護RS422 接口。增加D9和D10的目的主要是為了防止浪涌電壓損壞接口。 4 通訊接口的軟件實(shí)現 RS422標準只對接口的電氣特性做出規定而不涉及協(xié)議，因此我們可以定義自己的高層 通信協(xié)議。在本設計方案中，傳感器節點(diǎn)和接入節點(diǎn)在底層以字節為單位通信，采用ASCII 協(xié)議，數據長(cháng)度為11位：1位起始位+8位數據+1位偶校驗+1位停止位。在上層協(xié)議中采用數 據包為單位通信。通信協(xié)議中使用了三種通信數據包：數據包、命令包和應答包。其中數據 包定義為：長(cháng)度為100個(gè)字節，前面98個(gè)字節為數據字節，后面2個(gè)字節為校驗字節，校驗字 節為前98個(gè)字節以每2個(gè)為一組進(jìn)行異或所得值；命令包定義為：長(cháng)度為10個(gè)字節，第1個(gè)字 節固定為0X02，代表這個(gè)數據包為命令包，第2個(gè)字節為命令類(lèi)型標志字節，用來(lái)表明命令 的類(lèi)型，如請求發(fā)送數據命令、請求發(fā)送狀態(tài)命令等。第2到第7字節為保留字節，暫時(shí)沒(méi)有 定義，固定為0，可以留待以后擴充功能。最后兩個(gè)字節為校驗字節，校驗字節為前8個(gè)字節 以每2個(gè)為一組進(jìn)行異或所得值；應答包定義為：長(cháng)度為10個(gè)字節，第1個(gè)字節固定為0X01， 表明這個(gè)數據包為應答包，第2字節為接收是否正常標志字節，為0X01代表正常，0X00代表 不正常。第3字節為接入節點(diǎn)和服務(wù)器通信故障是否錯誤標志字節，值0X01代表正常，0X00 代表故障。第3到第7字節為保留字節，暫時(shí)沒(méi)有定義，固定為0，留待以后擴充功能。最后 兩個(gè)字節為校驗字節，校驗字節為前8個(gè)字節以每2個(gè)為一組進(jìn)行異或所得值。每種數據包均 引入字節偶校驗和幀校驗，這樣可以有效得檢測到通信中的數據錯誤。 本系統中，傳感器節點(diǎn)和接入節點(diǎn)可雙向通信，考慮到實(shí)際情況下主要是傳感器節點(diǎn)通過(guò)RS422接口向接入節點(diǎn)發(fā)送大量的數據，而接入節點(diǎn)主要向傳感器節點(diǎn)發(fā)送少量的狀態(tài)和命令，協(xié)議中設計了兩種通信模式。 通信模式A：接入節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起通信，接入節點(diǎn)首先主動(dòng)發(fā)送一個(gè)請求傳感器節點(diǎn)發(fā)送 數據的命令包給傳感器節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)收到此命令包后發(fā)送一個(gè)數據包給接入節點(diǎn)，完成一次通信，接入節點(diǎn)負責無(wú)應答錯誤和數據錯誤的檢查。此模式下接入節點(diǎn)端程序流程圖如圖3左圖所示，傳感器節點(diǎn)端接收流程圖如圖3右圖所示。 圖3：模式A接入節點(diǎn)端程序流程圖（左）與傳感器節點(diǎn)端流程圖（右） 通信模式B：傳感器節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起通信，傳感器節點(diǎn)首先發(fā)出數據包給接入節點(diǎn)，接入節點(diǎn)收到數據包后發(fā)送一個(gè)應答包，傳感器節點(diǎn)收到應答包后完成一次通信，無(wú)應答錯誤和數據錯誤的檢查由傳感器節點(diǎn)負責。此模式下傳感器節點(diǎn)端程序流程圖如圖4左圖所示，接入端接收流程圖如圖4右圖所示。 圖4：模式B接入節點(diǎn)端程序流程圖（左）與傳感器節點(diǎn)端流程圖（右） 正常情況下，接入節點(diǎn)與傳感器節點(diǎn)均處于接收狀態(tài)。當接入節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起通信時(shí)進(jìn)入 通信模式A，當傳感器節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起通信時(shí)進(jìn)入通信模式B。 實(shí)際做穩定性測試時(shí)，采用一臺普通PC機作為上位機服務(wù)器，傳感器節點(diǎn)循環(huán)發(fā)送三角 波數據，服務(wù)器顯示三角波波形，傳感器節點(diǎn)和服務(wù)器均記錄傳輸的數據包數量，系統連續 運行8小時(shí)，實(shí)驗結果顯示服務(wù)器收到的數據包數目和傳感器節點(diǎn)發(fā)送的數據包數目相同， 數據傳輸丟失率為0.0%。另外在整個(gè)系統做高溫、低溫、濕熱等環(huán)境試驗和靜電放電、浪 涌沖擊、電場(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度等電磁兼容可靠性試驗中，RS422接口也表現十 分可靠，沒(méi)有出現差錯。 5 總結 本設計方案在芯片選型上選用了美信公司的隔離型RS422芯片MAX1490AEPG，可以有效從 電氣上隔離系統各個(gè)子模塊的相互干擾，電路設計上考慮了接口兩側接地的隔離距離以防止 爬電，兩個(gè)對接的RS422接口共地可以很好的抑制傳輸線(xiàn)的共模電壓干擾以及取得良好的EMC 性能，傳輸線(xiàn)終端的匹配電阻可以減少信號的反射，增加穩壓和瞬態(tài)抑制二極管可以解決防 浪涌、靜電放電等問(wèn)題；在通信協(xié)議設計中引入的字節的偶校驗、數據幀的校驗可以有效得 檢測數據出錯，無(wú)應答計數器和數據錯誤計數器的引入可以偵測到通訊線(xiàn)路故障和批量數據 出差以及避免軟件死鎖，采取以上措施使RS422接口的通信可靠性得到極大的保障。該設計 方案可以廣泛用于對可靠性有一定要求的工控、醫療、軍事場(chǎng)合。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文提出的接口設計方案在硬件上對普通的RS422接口電路進(jìn)行改善，在 軟件上亦加入了多種檢錯措施。從軟硬件兩方面整體來(lái)提高RS422接口的可靠性，使其在惡 劣的工控環(huán)境更加穩定可靠。 |
