RS485总线集线器设计【文献综述】

毕业设计（论文）文献综述

题目：RS485总线集线器设计

专业：电子信息工程

1前言

在当今信息通讯高速发展的阶段，人们在充分享受网络给人类带来的喜悦。随着网络的普及和发展，使得各种控制设备网络化成为可能。自动化监控、安全防护、门禁考勤及工业自动化系统得到迅速普及和应用。在工业控制设备之间中长距离通信的诸多方案中，RS-485系统总线因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动测控等领域。

由于标准制定时间早，RS485总线应用广泛，特别在国内具有很强的影响力。目前许多厂家生产的设备大多提供接口，并以此为标准。例如许多集中式水表采集器、集中式电表生产厂家的产品都内置RS458芯片，提供信号输出接口。现在新开发的各种产品，厂家还是习惯于沿用这种标准。其次，与应用普遍且为计算机标准配置的接口的转换器或设备十分常见和通用，这更增加了总线的应用广泛性。总线技术实现成本低廉，传输距离较远，通讯可靠，抗干扰能力强，可实现多点通一讯现在的通用技术已可以带到个节点。另外，一标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因此较其它标准更具有灵活性。

在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。由于RS-485具有物理连接方便、抗干扰能力强、传输距离远等特点,采用这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。由于RS-485通信接口控制芯片的成本低廉且技术成熟,所以现在许多仪表生产厂商都可以开发出支持RS-485通信接口的仪表,并通过这个接口实现多个仪表的组网及数据上传功能。对于RS-485通信接口的应用大体可分成以下三个方面:

（1）特殊用途测量仪表。由于现在的专用测量仪表已逐步智能化,其检测输出的信号不再是一个单一的值,采用通常的4~20mA的电流信号已不能满足数据传输的要求。

（2）智能数据采集I/O模块。在工控机测控系统中,随着技术的发展数据采集I/O模块已得到了越来越广泛的应用。但这些I/O模块的输入输出通道和数据

转换模式一般是固定的,所以在一个工控系统必然会用到多个I/O模块,这就要求在工控系统中能够使用一台工控计算机同时与多个I/O模块实现数据传输。而RS-485通信接口就成为许多智能模块厂商所采用的通信方式。

（3）智能控制器及变频器等。现在的工业自动控制系统中大量地采用了智能调节仪实现回路的调节控制,而变频器的应用也越来越广泛。要实现对这些设备的集中数据采集及管理控制,就要求这些设备具备数据通讯的功能。而这些设备就利用RS-485通信接口将多个智能仪表组成网络实现与工控计算机的数据通讯,使得只占用很少工控机接口资源就可以管理尽可能多的设备。

随着RS485总线系统的广泛应用，RS485总线系统也越来越大，RS485总线外挂的485设备越来越多，从而导致485总线的稳定性越来越差。现在市场上已经有可以负载128，256台甚至400台485设备的转换器，由于485总线使用总线连接形式，形成如果有一个485设备出现问题，就导致整个485总线出现问题的现象。所以从485总线的稳定性来说，当设备达到一定数量的时候，从概率上分析，假设485总线上的485设备的无差错时间为99.9％，当有128个485设备在一个总线上时，其无差错时间就是99.9％的128次方，其无差错时间讯速降为87.98％，再有RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线的运行稳定性及可靠性至关重要。

在实际数据通信系统应用中,由于设备数量多,发布较远,现场的各种干扰也较大,往往通信的可靠性及质量不高,加之软硬件设计的不完善,使得实际工程应用中RS-485总线的通信问题是系统不能高可靠运行的关键问题。

在使用RS-485总线时如果简单地按常规方法设计电路,在实际工程中经常遇到的两个问题。一是通信数据收发的可靠性低的问题;二是在多机通信方式下,一个节点的故障引起整个系统通信崩溃(箝线)。由于485总线为一线制，如果连接成树型或星型，就会影响总线通信效果。为了保证总线的通信质量，就需要用总线分支或集线设备，来满足树型或星型连接的需求。本课题的任务就是设计一个485总线的集线器。

2现状和发展方向

RS-485标准最初由电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布,后由通讯工业协会(TIA)修订后命名为TIA/EIA-485-A。不过工程师还是习惯上称之为RS-485。

RS-485由RS-422发展而来,后者是为弥补RS-232之不足而提出的,主要改进了RS-232通信距离短、速率低的缺点。RS-422定义了1种平衡通信接口,将传输速率提高到10Mbps,传输距离延长到4 000ft(英尺,下同)(速率低于100kbps时),并允许在1条平衡线上连接最多10个接收器。RS-422是1种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为扩展应用范围,随后又为其增加了多点双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围,这就是后来的EIA RS-485标准。

RS-485是1个电气接口规范,它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性,而没有规定接插件传输电缆和通信协议。RS-485标准定义了1个基于单对平衡线的多点、双向(半双工)通信链路,是1种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。

在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的，串行通讯不仅连线简单而且性能可靠。目前，有多种接口标准可用于串行通信，包括RS-232、RS-422、RS-423和RS-455等。RS-232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。RS-485总线的优异性能使得它成为工业应用中数据传输的首选标准。

RS-485串行接口的电气标准实际上是RS-422的变型，它属于七层051(Open SystemInterconneetion，开放系统互连)模型物理层的协议标准。RS-485性能优异，结构简单，组网容易，可组建经济实用型工业局域网。RS-485总线的优异性能使它得到了越来越广泛的应用。

在RS-485标准的基础上，研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，因为RS-485的远距离、多节点个以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信:在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以loMbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100KbPs