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如圖1所示。系統由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，并將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。

由圖1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采用平衡差分信號傳輸，比起RS-232的非平衡傳送方式在電氣指標、抑制共模干擾能力、傳輸距離上都有了大幅度提高。RS-485串行接口的電氣標準屬于七層OSI（開放系統互連）模型物理層的協議標準。依賴其性能優異、結構簡單、容易組網的優點，RS-485總線標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，而不需要將所有的傳感器信號與數據采集器連接，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總線節點的硬件圖如圖2所示。

光電隔離

由于系統安裝在通信設備密集的地區，現場情況復雜，各個節點之間存在很高的共模電壓。RS-485標準采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，當共模電壓為-7V~+12V之間時可以保證通訊的正確性，但是當共模電壓超過RS-485接收器的極限范圍時，接收器將無法正常工作，嚴重時甚至會損壞芯片。

通過DC/DC轉換模塊將系統電源和RS-485收發器的電源隔離;通過光耦將差分信號線隔離，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、抗干擾性強、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等只有幾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。它是金升陽公司生產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。特別適用于小電流隔離和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標準規定，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，輸出為不確定狀態。一般在總線空閑、傳輸線開路或短路故障時，可能會出現這種狀態，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，會導致串口找不到起始位，導致通信異常。

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最多允許掛接256個節點，對于節點數目要求較多的場合比較適用。

MAX3082的收發控制端是使用CPU的一個I/O來控制的。在系統復位時，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復位期間為高，從而使本節點處于發送狀態。如果此時總線上有其它節點正在發送數據，則此次數據傳輸將被阻斷，嚴重者可能導致整個總線的癱瘓。為了保證上電時RS-485芯片始終處于接收狀態，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進行反向后與MAX3082的收發控制端進行相連。當CPU的I/O引腳輸出1時，MAX3082進入接收狀態，當CPU的I/O引腳輸出0時，MAX3082進入發送狀態。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干擾，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，總線上只要有一個節點發生故障就有可能將總線“拉死”。因此，數據端口A、B與總線之間應加以隔離。在這里我們的做法是，A、B與總線之間各串接一只100mA的PTC自恢復保險，同時與地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。

需要注意的是，許多人錯誤地認為RS-485是兩線制。實際上RS-485總線的構成是一個信號差分對和一個地返回線，系統也許沒有這個地返回線也可以工作，但是會處于極不可靠的狀態之中。這是因為 RS-485總線在差模電壓為-7V至+12V之間才可保證通訊的正確性。如果超過此范圍，數據將丟失，端口也可能損壞。信號地線的功能是將每個節點的信號地連接到一個共同的地上，這個地的作用是用來保持共模電壓。如果系統沒有設計和連接地線，將影響系統總線的可靠性并帶來噪聲。

海氣邊界層監測系統中，RS-485總線通訊的波特率是9600bit/s，最長距離是100m?？偩€并沒有設計終端電阻。這是因為添加終端電阻的目的是減少信號的反射、吸收噪聲，但是這樣卻顯著增加了系統的功耗，并使系統設計復雜化。如果系統傳輸速率較高（通訊速率大于115.2K）并且是長距離的傳輸，才需要考慮終端電阻。

系統軟件設計

RS-485總線是異步半雙工的通信總線，即在某一個時刻，總線只可能呈現一種狀態（收或發）。所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢方式通信，軟件編程對系統的可靠性有很大影響。尤其要注意對485芯片收發控制端DE和RE的軟件設計。為了可靠的工作，在RS-485總線狀態切換時需要做適當延時，再進行數據的收發。具體的做法是在數據發送狀態下，先將控制端置“1”，在9600bit/s的波特率下，延時1ms左右的時間，再發送有效的數據，一包數據發送結束后再延時1ms后，將控制端置“0”。

海氣邊界層監測系統總線上的數據采集器處于主機地位，每隔3s輪詢各節點一次，輪詢到哪個節點則哪個節點上傳數據，總線的使用權完全由主機分配，各子節點不能擅自占領總路線，也不允許主動發起通信。具體實現方法是，每隔3s，數據采集器發出索要第一個節點數據命令，并等待節點回傳測量數據，超過規定的等待時間仍然沒有收到節點返回的數據，認為該路結點通訊失敗，延遲100ms后接著索要下路節點數據。值得一提的是，系統等待節點回傳測量數據并不是采取軟件死等的方法，而時采用分時多任務的方法來實現。具體實現方法是：在10ms定時器中斷服務程序中設一個節點通信時間計數變量，進行減計數。數據采集器發出索要數據命令后，對這個變量重新賦超時限定值，主程序判斷這個值為0時還未收到節點響應數據，才認為該節點通訊失敗。采用這種調度機制，可以大幅提高數據采集器CPU的運行效率。

結語

RS-485總線具有線路設計簡單、價格低廉、控制方便的特點，通過上述的軟硬件設計方法，在海氣邊界層監測系統中得到了良好的應用。目前系統24小時連續開機，系統的通信始終處于正常狀態，整個系統的性能滿足了項目的需求。

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