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如何解决RS485通信干扰
浏览次数:1150    日期:2016/10/27 17:00:52


RS485很常用,关于它的抗干扰问题等等,有很多说法。什么是干扰?


众所周知,所谓干扰就是在所传原始信号的基础上,叠加了其他非希望传输的信号。在现实表现中就是无法鉴别或者无法准确稳定的识别(原始)有用信号。一般说来,在我们传输信号过程中都会产生干扰,近到数毫米(设备内)至遥远太空的数以千万公里。干扰信号都无时不在的存在着。


做工程项目中所认为信号干扰的时候,正是在接收设备无法识别或超过系统的可靠、稳定识别指标的时候。哪么如果我们保证干扰信号永远低于一定值,使之不会影响到原始信号传输时,就达到了我们的目的。


一、干扰的种类


RS485信号以长距离、多用户、抗(共模)干扰著称。但在现实情况下,尤其是在安防、智能建筑施工环境下情况截然不同。许多人都遇到过RS485线路干扰问题,当然最直观的解释就是没有按照施工规范来做。但是一但按照繁复施工规范来做,对于目前国情和行业现状(造价与专业技术人员素质)来讲,都是比较有挑战的。RS485信号通常会遇到干扰,如果按照干扰出现的频繁度来排队的话大致应该分为四种:


第一种就是强共模干扰。这种情况很像图像传输中所说的"地干扰"。由于接收设备在不同地点,直接或间接接地,造成信号线与"本设备地""本设备数字地"之间的交流(通常是50赫兹)信号超标所造成。表现接收为时有时无,甚至一直无法接收。更有甚者,收发相距一米便无法实现数据接收。


第二种是匹配干扰。来源于系统负载匹配不合理。例如:信号线过长,过多(长距离)星形接线,过多的负载、无系统匹配电阻等等,导致系统时好时坏无法稳定工作。


第三种是硬件故障。一般是线路中有串入高电压的历史(雷击、漏电),导致系统个别设备的RS485转换器片出现问题,影响了全局的接收。


第四种是线路故障,例如局部短路、信号线有一根断路这种情况经常会使系统可以局部工作或正常工作,但是工作不稳定。


这四种情况往往不是单独存在,而是相生相伴,相互加剧。使系统不断恶化。


2、各干扰的成因与判断


以上总结了常见干扰的现象,下面将依次按照四种现象顺序分析导致干扰的原因和判断系统存在那一种干扰的方法。


首先先解释几个概念:


数字地--- 收发设备的信号地。通常与信号之间的直流电压为0-5


大地 --- 设备当地的接地


本地接地系统的数字地与大地间接


系统接地---系统中收发设备之间的数字地连接


直接接地---设备或系统的数字地直接与(可能是大地,也可能是系统数字地)良好连接。


间接接地---设备通过设备外皮、线缆与大地漏电或下一级设备(比如摄像机视频地)的地非良好间接,这种接地通常表现为直接无法用万用表测量出连接通断。


1)、强共模干扰


如果谈起这种干扰,首先要简单的介绍一下RS485工作原理和基本指标。RS485接口,外部接口由三个端子组成,分别是:ABG有的设备标为T+、 T-G。信号在传输过程中采用差分方式,即AB之间大于0.2V的电压差作为数据(01)传输,通常AB0-5V反向工作。即A5VB0VA0VB5V


发射接收芯片。以SN75176为例。这个芯片集收发为一体,作为发射端可以带32各同类芯片的接收端。芯片的输入输出接口部分设计了高电压箝位功能。由于芯片的抗高压设计,当AB点的输入电压(相对数字地G)高于5.5V时,A点的电压就被锁定5V,对于小功率的干扰信号,就由芯片吸收掉了,对于大一点功率的干扰信号,由于芯片无法吸收如此大的能量而被摧毁。另外当AB点的信号低于-0.5V时,也被芯片锁定在-0.5V


由于以上原因,当AB两点的信号都高于5.5V或低于-0.5V时,AB两点的信号相同,无差分值。此时接收到的信号无法确认。在现场施工情况下,通常RS485控制线会采用一根双绞线。如果收发两遍的数字地存在较大电压的情况下,就可能使AB信号叠加在一个交流信号上。当叠加值小于-0.5V或大于+5.5V时,数据就会出现错误。因此可以计算出理论上的共模干扰信号必须小于 5V/1.414=3.5Vac。但是实际情况下应该远低于此值。根据经验,这个值应该低于1.5Vac以下。


强共模干扰通常分为两种情况:


第一种、用电设备供电插座中心接地点接触不好,或者中心抽头悬空。也就是说交流电源供电端LN之间对G之间有一个小电容,以释放LN对大地之间的瞬间高电压,而G通常接设备外壳。如果G很好的接大地(通常规范建筑电源已经接好),哪么设备的外壳将有效接地。通常设备的外壳也是数字地、同时也是视频地。如果G端点未接地,这时G点的电压应该是对地110Vac。这时,如果系统中有间接接地的点,哪么G端点的电压将突破一切阻拦(通常是设备元器件和绝缘)对地放电。此时重者,将损坏设备元器件从而摧毁设备。轻者将对线路中的信号产生较大干扰或损伤元器件。


第二种收发设备分别接大地良好,由于收发两地存在交流电位差(通常由于变电站设备自身接大地以及大功率用电设备直接接地导致)。这种干扰虽然电压通常只有几伏,但是有可能通过信号线产生较大电流,并烧毁设备、或信号线。从施工角度这种干扰一般不会发生。


这两种方法的测量,可以采用万用表交流电压档测量,严重时可能150-160Vac     ,一般也会在1.5Vac以上。对于小于1.5Vac的一般可以允许。否则将引起信号传输不稳定。


2)、匹配干扰


在实际施工中RS485通常都是使用一根双绞线或屏蔽双绞线,按照并接、星形+并接以及手拉手形式连接。一条线路上一共并接32个以内的接收端。尽管许多芯片具有64128个负载能力,但是大多是通过降低输入电阻,提高灵敏度等方式来实现。通常这是个理论值。在实际应用中由于各负载以及布线因素很难保证在这个指标下稳定工作。


标准的RS485的负载是12K欧姆,在9600BPS下传输距离为1200米。这种方式接线明确,没有分支线。可以清楚算出线缆是否超出指标(例如1200米)。拉手方式实际就是在接收设备内部做出两个相同的A接线端和B接线端,在设备上标出输入输出 


其主要优势将分支线缩到最短(毫米级)。劣势也能比较明显,就是最末一个点到控制室的距离最长。如果有离开主干线一段距离的两个方向的点,那么,用这种方式需要增加一倍的分支线缆


这种方式主要要注意连接距离是否超出范围,负载数量不能超过系统指标。建议子系统不要超过32点。对于有些设备所说64128点的情况,应该考虑施工现场的具体情况(漏电、接地)来定。由于设备接口对于系统来讲,并不是无源纯电阻性的负载,他可能把本地的一些干扰引入系统,总的来说系统内直接连接的接口的数量越多,产生干扰的可能性就越大。


另外一种常用布线方式就是星形布线。星形布线可以节省线缆,但是,带来的问题就是,信号反射。由于星形布线比较手拉手方式增加了许多节点,使信号在总线上的传输复杂化,信号遇到节点都会产生反射,因此星形连接使信号在系统上的传输效果很难预计。同时系统出现多个终点。对于匹配的终端电阻,就很难加入。终端电阻的目的是匹配线路,吸收反射,这就可能使加入终端电阻的子网络工作正常,其他子网络无法匹配。


这种干扰的检测可以通过线缆长度、负载数量、终端电阻是否连接来判断。对于星形布线来说,建议分支数尽量少,距离尽量短。 


3)、硬件故障


由于雷击、485网络串入高电压等原因,导致局部某个或某些接收设备的RS485芯片损坏或损伤。这种情况经常表现为,不稳定前一直工作正常,突然工作不正常。检查方法可以用分段式检测。就是将系统分支或远端总线去掉,逐一添加,找出有问题的分支,再判断是哪个接收端出问题。对于问题比较多的系统,这种方法可能会重复几次,而且还不一定能处理干净。作为受损伤的芯片,在外部特性上,与正常芯片相差无几。只是负载偏大,更脆弱一些。经常会在工作一段时间内,莫名奇妙的损坏。这种故障相对比较难处理。


4)、线路故障


这种故障通常在施工初期发生。而且在一定的条件下,可以正常传输数据,一旦条件发生改变,系统就会局部或整体不正常工作。这种故障通常表现为总线短路和总线中(AB线)有一条断路。短路时会影响短路点附近和短路点以后的接收设备正常接收,而且使用万用表也可以很容易的判断。而某一条线开路则使开路点以后的设备的AB输入总某一路开路。由于开路端接收设备的漏电因素各感应点因素,很可能使这个端口的电位处于交变浮动况态。当交变幅度较小时,可能不会有什么影响,当幅度较大时就可能无法工作


另外这种浮动收当地地电位或用电负载的变化所影响因此会出现时好时坏、某一时间段无法正常接收等问题。这种问题一般都是施工者前期施工时疏忽所致。有的情况下,这种疏忽会在数年以后才显现出来。而检查起来相对比较简单。可以在系统断电的情况下用万用表进行电阻测量就可以判断。检查过程中,要了结合线路的路由情况和终端电阻的情况来判断。

 

三、RS485故障现场综合判断


现场RS485通讯系统出现故障时,可以从二个方面着手排查。


1、固定规则着手排查


通常的监测有三种方法:


1  检查AB线是否短路或者与其他线路短路。这种检测通常需要在整个系统停电下进行。通常检测AB之间电阻,AB分别对数字地之间电阻。当某一个分支不受控时还要单独检查这个分支的这几项电阻值。在检测中要考虑一下因素:终端电阻(120-200欧),线缆电阻(0.5RVV线4-5欧姆/百米-双线、超5类线20-25欧姆/百米-双线)、接收负载电阻(每个接收端12000欧姆)。通过计算测量值,判断是否有短路、断路现象。


2  检查AB对地之间的交流电压值。这种测量需要在系统各设备全部加电情况下工作。先将待测的部分与系统全部分开,分别测量A-AB-B、地-地之间的交流电压。当使用20V档电压大于1.5V时,系统就可能产生干扰。


3  代换方法确认个别设备的损坏。由于个别设备的损坏,导致个别设备不受控或系统不稳定。这种情况发生时,可以先根据路由,将系统分为多个子系统,逐个子系统摘除或加入系统。确认故障系统后,再将该子系统进一步分解排查。


2、从故障现象着手排查


 RS485系统通常的故障现象有一下四种:


1)、彻底瘫痪

A、断电检测系统AB、地之间有无短路,开路现象

B、检查发送设备是否正常。包括计算机通讯口选择、波特率、协议等等。

C、系统是否增减变动。如增加发送设备(键盘、DVR)数量所引起的接线错误、发送设备工作状态错误。必须提到的是,有些发送设备是出于常发状态,控制住总线,导致其他设备无法发出信号。例如有些计算机RS485卡、DVR、矩阵、键盘等等。在这种情况下,必须采用RS485集线设备隔离。集线设备主要是将多路RS485信号,集中成一路信号。

D、个别设备接口芯片损坏导致总线箝位。这种情况可以在发送设备有信号发出时,使用外用表直流电压20V档分别测量A-地、B-地之间电压值,观察有无变化。变化应该在0.1-0.5V之间。如果无变化,证明总线被箝位了。可以逐片排查,找出故障点。


2)、每次加电一段时间后瘫痪

这种情况通常发生在RS485系统无地线情况下。当收发端或收与收端之间地电位不同时,电位能量从低到高,向低位设备释放,由于设备中电容充电效应,使两边的电位相同,在此期间内工作正常。等到电容被充满后,两端的地电位就不同了。系统就无法正常工作。检测这种故障,通常检查收发端的数字地是否连接。数字地与AB之间是否有1.5Vac以上交流电压。


3)、按时间段、气候失灵

这种故障是由外界环境因素引起。通常需要从查找环境变化着手。例如:供电电源、大功率供电线、发射电台等等。找到原因后,做好屏蔽。对于气候影响着重查找总线分支或设备节点。尤其是露天节点处。


4)、时好时坏无规则

这种故障出在三个方面。

A、系统数字地有干扰,检查方法如2

B、系统中有损坏接口芯片,检查方法如1)、D

C、系统局部AB线有断路,检查方法如1)、D


五、系统设计、安装时注意事项


了解了系统出现问题的原因,我们就可以在RS485传输系统设计、安装时,注意施工规范避免系统不稳定现象出现。具体注意事项如下:


1RS485传输中一定采用3线制,即AB、地线。AB可以用双绞线、也可以使用双芯屏蔽电缆。


2、如果系统接收设备数量大于32点时,要将一个大系统分割为数个子系统。建议每个子系统不多于24个接收负载。各分割的子系统采用光电隔离的RS485隔离器。


3、主控室与总线采用光电隔离器。90%的干扰与故障,来源于控制室与总线之间的干扰。首先计算机、DRV、监视器、以及矩阵甚至视频分配器的供电电源都是三芯线。即L(火线)N(零线)G(地线)。由于电源插板的中心地未接、设备与电源插板中心地接触不良,导致设备外皮带电。而这些设备的外皮大多都与视频地、数字地相连。从而漏电馈入控制线中。控制室设备与总线的隔离是必不可少的。


                     资料提供:售后  景楠


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