1 概述

RS-485接口是一種基于平衡發送和差分接收的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠；同時易于進行網絡擴展，被廣泛的應用在很多工業現場。

節能燈壽命檢測環境中，主要干擾來自開關和壽命檢測的強電干擾、開關產生的電磁干擾、空氣循環設備的干擾等等；同時由于壽命檢測環境溫度高，強電系統復雜，也給系統的運行提出更高的要求。壽命檢測系統要求實時報告每一盞節能燈的運行狀態、環境溫度、電壓等，并在壽終計算出節能燈壽命、光通等參數。可見系統的傳輸數據量大，實時性強，因此物理總線的拓撲結構和通信協議尤為關鍵。

2 接口設計

良好的接口設計，應該在硬件上保證系統有良好的抗干擾性、穩定性和易擴展性。本系統選用了性價比很高的半雙工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特點：

①滿足或超出TIA/EIA-485A標準的要求；

②低靜態電流消耗——有效模式為小于0.3 mA，關閉模式為l nA；

③優化的驅動器輸出信號，傳輸率達200kbps時保持低EMI；

④1/8單元負載——1條總線上多達256個節點；

⑤總線引腳ESD保護超過16 kv；

⑥工業標準SN75176覆蓋范圍；

⑦失效保護功能。

基于SN65HVD3082的RS-485接口電路，通常有三種方案。

（1）直接控制收發的RS-485接口電路

此方法使用控制器切換發送使能和接收使能端，控制接口電路數據的發送和接收。由于采用直接收發，因此需要發送和接收時的轉換，只能加入額外的控制器來控制發送和接收的轉換；同時，需要用控制器存儲轉發所有的傳輸數據，這樣，每傳輸1幀數據，至少損失1個單位的接收時間（儲存轉發1幀數據的時間）。此方案不利于數據量大的實時通信，而且在發送和接收的切換過程中，在VA和VB（VA和VB分別是Rs一485總線的A、B端的電壓）有階躍電壓的產生。這個階躍電壓對接收器的接收有干擾產生。

（2）自動收發轉換的RS-485接口電路

圖l所示的虛線框中為接口電路，通過對真值表進行分析，其發送和接收過程為：

當發送端DI=O時，DE/RE=1發送O電平，接收端RO=O；當發送端DI=1時，DE/RE=0，VA=VB=2.5V，接收端由于上拉電阻的作用RO=1。

在此接口電路的TXo端加入1kHz的TTL方波對電路進行測試。未加入120Ω端電阻時，接口芯片的485-A和485-B腳都有約50μs的電壓變化過程，如圖2所示。接收端Ro波形的上升沿有明顯的延遲約30～40μs（和數據發送端DI比較），造成很大的傳輸誤差；加入120Ω端電阻時，延遲明顯縮小，約3μs。

此電路在發送高電平時，發送器處于高阻狀態，總線上所有接口處于接收狀態，總線是空閑的，允許其他接口發送數據，因此容易引入總線沖突。特別是連續發送商電平比特時，發送器處于高阻狀態的時間越長，引入總線沖突的幾率就越大。

（3）零延時的RS-485接口電路

零延時RS-4185接口電路主要采用74HCl4和電路中的電阻、電容等元件構成一個延時很短的電路，其主要作用是：

①發送器在發送高電平的時候，在短延時內不再是處于高阻狀態，仍有驅動電流存在，這樣在一定程度上可以增加接口的抗干擾能力。

②從真值表可以看出．對于接收器，當VID=VA-VR≥一O.01 V時，RO=1；在發送端，當DE/RE=0，發送驅動器的VA和VB都是高阻態，此時VA=VB=2.5V，因此，這時對于接收端RO=1；而在短延時的時間內，由千DI=1且E/RE=1．所以RO=1．可見在短延時和DE/RE=0的時間內接收端RO=l，這樣就完成了對高電平的發送和接收，而且在接收端的上升沿不會有延遲，即零延時，如圖3所示。

把圖l中自動收發轉換的RS-485接口電路換成零延時的RS-485接口電路，如圖4所示。同樣在TX0端加入1 kHz的方波對電路進行測試，結果是接收端RO的上升沿不會有延遲。這和是否接入120Ω的端電阻沒有關系，證實了以上的分析。

圖2、3中虛線箭頭指向處的電壓為2.5 V。

圖4中，根據系統所確定的傳輸速度來選擇R3和C0參數，以達到零延時。傳輸速度越高，延時越小。這里選擇R3=22 kΩ，C0=1000 pF。

自動收發轉換的RS-4t85接口電路和零延時的RS-485接口電路都有不足之處，即在發送端發送連續的高電平時，邏輯上發送端是處于發送狀態，接收端處于接收狀態；但實際上，此時所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的發送端和接收端都處于接收狀態。這在對等的網絡結構中是不能忽視的，因為在這段時間內，總線是空閑的，是允許節點發送數據的。

這里采用的是主從式的網絡結構，因此這個問題不會影響系統工作。

3 網絡拓撲結構

網絡拓撲結構的設計是根據壽命檢測系統的實際需要提出的，設計目標是：滿足lO個壽命架，每個壽命架64個節點的檢測要求，在硬件和軟件上做到容易擴展，走線合理。因此邏輯上采用主從式網絡結構，物理結構上采用星型拓撲結構，如圖5所示。這個拓撲結構有兩級總線，主要由以下設備組成：

①RS-232轉RS-485。實現RS-232到RS-485電氣信號的轉換，這是第一級RS-485總線。

②10口的485HIJB（集線器）。如圖6所示，485HUB是由1個主機和10個從機的零延時的RS-485接口組成，這是在邏輯上實現主從式結構的基礎。當主機端下行發送數據時，連接在10個從機接口上的所有接口都可以接收到數據；而當某個從機接口上掛接的節點上行發送數據時，只有主機節點（PS端）和掛接在同一個從機接口上的其他節點可以接收到數據。這是第二級RS-485總線。

③單片機節點。有4種節點，即節能燈狀態采集節點、溫度采集節點、供電電壓采集節點和模式控制節點。每個單片機節點的通信接口都采用零延時的RS-485接口電路，每一個節點都有自己的地址，用于PC端尋址。

理論上，SN75HVD3082的一條總線可以連接多達256個節點，因此在每個從機接口上可以擴展更多的節點；同時在RS-232轉RS-485轉換器的總線上也可以連接更多的485HUB。這樣就可以實現硬件上的擴展。

4 通信協議

采用9600 bps的波特率，固定長度幀結構，幀長度10字節。幀信息定義如下：幀頭（0x55 0xAA）、命令（1字節）、數據（4字節）、從機地址（2字節）、校驗（1字節）。

在通信協議中采用幀校驗和幀超時，以達到軟件抗干擾的目的。

①幀校驗：采用累加和校驗。在發送時，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個域相加并取最低字節填充到校驗域。如果節點不處于接收狀態，則啟動發送，否則等待；如果在未超時，并完整地接收到10字節時，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個域相加，并與校驗域比較，相同表示成功接收到1幀數據。

②幀超時：幀超時定義是，在接收到第一個字節時，進入接收狀態，并設置8ms定時，以后每接收到一個字節，重置8ms定時。正常情況下，接收一個字節約1 ms時間。如果超過8ms，則退出接收狀態，丟棄當前接收幀，回到空閑狀態，等待下一幀的接收。

在程序設計中，幀超時的定義與程序的架構和波特率有關，原則上只要大于1個字節的接收時間就可以了。這里選擇8ms與程序的架構有關。

5 測試結論和應用前景

在設置了所有節點的地址后，即可在現場對系統進行測試。測試方案是，在PC機端運行測試軟件，約每隔50ms發送一次測試命令輪詢所有的節點。每一次發送都要求有數據返回，否則視為通信錯誤。軟件連續運行7天，沒有發現錯誤，說明系統穩定可靠。

目前設計的節能燈壽命檢測系統已經在現場成功投入使用，運行效果良好。此系統設計思想對于設計具有大量節點、大數據量的實時智能檢測系統起到借鑒作用，在自動化檢測領域中將有較為廣泛的應用價值。
來源；電子工程網