PAGE 基于RS-485网络的电表计费系统设计 DESIGN OF METER READING SYSTEM BASED ON RS-485 NETWORK 专业: 测控技术与仪器 姓名: 指导教师: 申请学位级别: 学士论文提交日期: 学位授予单位: 天津科技大学 摘要随着国民经济的不断发展,电力已成为国家最重要的能源之一。就居民用电来说,由于人民物质生活的极大丰富,生活质量的迅速提高,对电力的需求也越来越大。对现有小区的电能表及其抄表系统进行改进,已成为现代住宅小区物业管理需要迫切解决的问题。本文针对这一情况,设计了一种基于RS-485网络的远程抄表系统,适应了社会的需要,保证用户安全、合理、方便地用电。 本文以VB为开发软件,结合RS-485总线技术,构建了远程自动抄表系统。系统主要包括用户电能表和PC机两部分,通过RS-485总线把两者构建成为一个分布式监测系统,来实现电表数据的采集传输和管理。 本文总体结构分为五个部分:第一部分介绍了电能表和抄表系统的发展历程及现状;第二部分提出了系统总体设计方案;第三部分为系统的硬件设计,着重介绍了RS-485网络;第四部分为软件设计,包括通信软件设计和抄表管理软件设计。第五部分为结论。 关键词:RS485网络; 远程自动抄表; 电能表 ABSTRACT With the development of the national economy, electricity has become one of the country's most important sources of energy. On residential electricity consumption, because people have very rich material life, demand for electricity is also growing. The existing district's energy meter and the meter reading system to improve, has become a modern residential property management needs urgent solution. This view of this situation, design a remote meter reading system based on RS-485, and meet the needs of the community, to ensure user security, reasonable, easy to use electricity. In this paper, use VB for the software, combined with RS-485 bus, built a remote automatic meter reading system. System consists of PC and user energy meter .These two parts use RS-485 bus to build a distributed control system, to achieve transfer meter data collection. This structure is divided into five parts: The first part introduces the meter and the meter reading system status of the development process; second part is the proposed system and program design; third part is the hardware design, highlighting the RS-485 network; fourth part is the software design, including communication software design and meter reading management software design. The fifth part is the conclusion. Keywords: RS485 network; remote automatic meter reading; Energy meter 目录TOC \o "1-2" \h \z \u 第一章 绪论	1 第一节 课题背景及意义	1 第二节 电能表及远程抄表系统的发展现状	1 第三节 论文主要内容	5 第二章 系统总体方案设计	6 第一节 系统组成及工作原理	6 第二节 系统实现的功能	6 第三章 系统的硬件设计	7 第一节 多功能数字电能表	7 第二节 RS485抄表网络设计	12 第三节 RS232/RS485转换器设计	16 第四章 系统软件设计	18 第一节 开发软件简介	18 第二节 串口通信软件设计	21 第三节 系统抄表管理软件设计	26 第五章 结论	42 参考文献	1 致谢	1 天津科技大学2010届毕业设计 PAGE 42 第一章 绪论 第一节 课题背景及意义 随着国民经济的不断发展,电力已成为国家最重要的能源之一。在现代社会中电能己经广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。就居民用点来说,由于人民物质生活的极大丰富,生活质量的迅速提高,对电力的需求也越来越大。如今绝大部分地区对电的使用已经没有限制,一户一表制已经基本普及,直供居民户数成倍增加。但是当前居民用电的管理过于落后,普遍采用户用计量式电表,先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。这种用电管理模式,给居民带来诸多不便,而且增加了管理人员的工作。这种方式弊端多,工作效率低,给管理部门造成人力、物力、时间上的极大浪费。为了适应社会的需要,保证用户安全、合理、方便地用电,设计一种远程自动抄表系统显得很有必要。 自动抄表系统(Automatic Reading Meter System—ARMS)是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供、用与管理系统中的一项新技术,采用通讯和计算机网络等新技术自动读取和处理表计数据[1]。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端,给电能管理的现代化创造了良好的条件。目前,美国、欧洲等发达国家已把自动抄表技术广泛应用于配电管理。我国对自动抄表技术的研究起步较晚,但是发展速度很快。随着电力市场管理改革的不断深入,对自动抄表技术的研究也逐步成为热点。 RS-485总线是工业应用中非常成熟的技术,是现代通信技术的工业标准之一[2]。采用RS-485总线设计网络也是基于这些原因。RS-485总线用于多站互连十分方便,用一对双绞线即可实现,由于采用平衡发送和差分接收,即在发送端驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出;在接收端接收器将差分信号变成TTL电平,因此具有抗共模干扰的能力。基于RS-485的抄表系统采用的是主从式的通信方式,这种通信方式实时性强、可靠性高、多站互联方便、是较为理想的一种远程抄表系统。 第二节 电能表及远程抄表系统的发展现状 一、电能表的发展历程及现状 世界上最早出现的电能表, 是爱迪生1880年利用电解原理制成的直流电能表。交流电的出现和被利用, 对电能计量仪表的功能提出了新的要求。1888年, 意大利物理学教授费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。与费拉里斯几乎同时,美国一物理教师也根据旋转磁场的原理试制出了感应式电能表的雏形。1889年, 德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应式电能表。1890年, 带电流铁心的感应式电能表出现了, 不过其转动元件是一个铜环, 制动力矩靠交流电磁铁产生。直到19世纪末, 才逐步改用永久磁铁产生制动力矩, 以降低转动元件旋转速度并增加转矩;表的计数机构也几经改进, 铜制的圆转盘由铝圆盘所取代。至此, 感应式电能表的制造理论基本形成。 感应式电能表是利用处在交变磁场的金属圆盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成的, 具有制造简便、可靠性好和价格便宜等特点。经过近一百年的不断改进与完善, 感应系电能表的制作技术已经成熟。通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮(磁推)轴承等技术手段, 其结构和磁路的稳定性得以提高, 电磁振动被削弱, 使用寿命大大延长, 且过载能力明显增强。 电能开发及利用的加快, 对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索, 使感应系电能表暴露出准确度低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求, 电子式电能表应运而生。 早期的电子式电能表仍采用感应系电能表的测量机构(简称感应系测量机构)作为工作元件, 由光电传感器完成电能—脉冲转换, 然后经电子电路对脉冲进行适当处理, 从而实现对电能的测量。由于此种表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置, 因此被称为感应系脉冲电能表, 也称机电脉冲式电能表。机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品, 并自20世纪70年代初起就已开始在一些工业化国家逐步大面积被采用。这种表和机械耦合式多费率电能表是感应系电能表向全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量表种, 它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。尽管直到90年代还有人在不断地改进脉冲式电能表的某些技术性能, 但以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷, 决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围窄等缺点。 到上世纪八十年代中后期,随着电子技术的发展,应用于现场环境的电子式电能表开始出现了。它没有传统电能表上的旋转机构,因而又被称为静止式电能表或固态电能表。早在1976年日本就研制出了电子式电能表。但当初电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点, 曾一度制约了它的应用。80年代中后期, 随着电子电路设计与制造新技术的出现, 电子式电能表在各种现场环境下的工作可靠性间题被攻破, 随即, 电能表的电子化在工业发达国家迅速发展, 相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表。其中一些表种已可在很宽的电压、电流范围内进行自动量程切换;1.0、0.5、0.2级收费用电子式电能表相继商品化;且当时最好的电子式标准电能表的准确度已达到0.01级。随着微电子技术的发展,单片机技术的应用,电子式电能表的生产成本逐渐降低,可实现的功能越来越丰富,制造精度也越来越高,电子式电能表的优势越来越明显[3]。 我国电能表行业的发展大致经历了以下5个时期: 1)	原始期(此时期是国内电能表生产的起步阶段,以DDl,DD5型电能表为代表产品); 2)28表时期(代表产品有DD28,DDl0,DTl0等产品); 3)	86表时期(代表产品主要为铁壳的DD862,DD862a,DT862等产品); 4)	长寿命电能表快速增长期(此时期中,使用寿命技术的感应式电能表产品进入快速增长阶段); 5)	静止式电能表快速增长期(此时期中,具有预付费、多费率、通讯、负荷控制等多种复杂功能的电子式电能表使用激增)。 近年,国外电子式电能表发展非常快,芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、英国、德国、西班牙、比利时和意大利等西欧许多国家,其工商用户计费电能表已实现100%电子化。目前我国市场上主要以86表时期以后的电能表产品为主。近几年来,随着新技术的不断涌现,我国电能表的产品结构发生了很大转变。我国电能表行业在产品质量控制、生产技术水平以及产品适应用户需求等方面都有了质的飞跃。从2.0级精度到0.1级精度;从单一计费功能的电能表到可实现负荷控制等多功能要求。我国的电能表产品已经不仅仅是一种单一计量功能的仪表,已经由低附加值向高附加值转化,向智能化、长寿命、多功能方向发展。目前国内外普通居民表中预付费及复费率功能已经相对成熟并有大量应用。高端电能表一般可提供如下功能:有、无功电能计量,最大需量计量,可自定义的多费率、多时段电量计量,多种实时参数测量,多种故障报警及事件记录功能,停电抄表功能,温度补偿电路,多种通信方式,开盖报警等简单防窃电功能。另外,也有一些电能表有特殊功能,如多套费率表,谐波计量,GPRS通讯,电能质量分析,变压器铁损计算等,具有一定的创新性。 二、远程自动抄表系统的发展现状 目前国内外主要的远程抄表方式有以下几种: 1)电话线远程抄表:由于电话网在城镇的迅速普及,利用现有的电话网进行数据通信是一个经济有效的方案。利用电话网通信需要加装调制解调器,这时通信速率受到限制,管理中心无法对用户进行实时监控。也可以租用专线,但是当租用电话线路过多时,租用费用也很可观,因此不适合大容量系统。而且采取这种方式初期成本较低而且干扰小,通讯可靠性高,但由于在以后的传输中接通时间较长,需支付很高的费用,故此种方式有一定不利因素[4]。 2)电力载波远程抄表:利用电力载波技术进行自动抄表,主要是利用已有的输电线路实现数据的传输,节省成本。但由于我国的电网没有专门的滤波系统,特别是民用电网部分,电磁信号、脉冲信号和无线电信号对电网的干扰致使电网相当不纯净,传输过程中信号的误码率很高,因此这种传输方式需要很高的抗干扰措施,目前研究此种方式抄表系统的不少,但真正实用的不多。载波抄表方案关键需要解决的问题还是抄表的可靠性问题,这也是电力载波抄表系统长期不能真正解决的问题,我们国家的电网非常复杂,电力载波技术要应对几个关键问题:首先有时变干扰,干扰的频谱范围、强度、地点都在实时变化,例如家用电器、开关电源等产生的高次谐波,各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰等因素都会对电力线产生非常大的干扰。二是时变网络阻抗,变压器所带的阻抗随时间的变化在不断改变,导致输送能量要不断变化。这两个原因是导致载波不能很好工作的根本原因。三是网络拓扑的不可知性。在设计电力载波产品时,我们要去应对并不知道拓扑结构的网络,因此也很难保证产品的性能。总之,这三个问题 是电力载波技术要解决的难点。 3)无线远程抄表:利用控制端的小功率无线发送器和接收器实现数据的传输,系统结构清晰,施工方便,这种方式主要用于单一类型表的自动抄表,对于不同类型的表就比较麻烦,如编号、信号频率通道的设置都有所不同。国外普遍采用此种方式,但此种抄表更适合应用于分散的计量仪表的抄收。无线抄表是利用空间的无线信道实现数据传送的,这样的抄表方式毋须置疑是最为简单、方便的抄表模式,甚至在最近建设部提出的某种通讯规约的讨论稿中也初定了三表无线抄表使用的无线电频点,但无线数据传输存在着在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下,信号传输不稳定的问题,另外表具安装位置、空间干扰等也对其稳定工作有较大影响,同时无线电表产品自身也存在功耗等问题,因此该模式概念上虽然都很好,但真正大面积推广应用还有相当的历程。尽管目前蜂窝移动无线网GSM覆盖面几乎已遍及全国.这种方式需要在各个单元架设发射天线,这样做的不足就是:一方面有建筑物钢筋混凝土的屏蔽,使得信号的衰减比较快;另一方面发射天线对人体有电磁辐射,不适宜在居民楼安装[5]。 4)有线电视网(CATV)远程抄表:利用现有的有线电视网实现自动抄表,这种网络是可视的,但实现起来较为复杂,此种方式正处于探讨阶段。 5)电缆线远程抄表:有线总线技术成熟、简单,在通信信道正常的情况下通信可靠、稳定,可以实现实时通信。	RS485总线是目前使用最为广泛的一种通讯方式,通讯速率和通讯距离都能很好地满足自动抄表的要求。因此,使用RS485总线进行远程抄表具有明显的优越性。 第三节 论文主要内容 本论文是检测技术、计算机和通信技术的综合应用,主要研究内容包括: 1.研究分析具有RS-485接口多功能电表的工作原理及基本性能。 2.以VB为应用系统开发软件,结合仪表通信协议,实现PC机与多个电表的串行通信。 3.设计关联型数据库,实现VB对该数据库的调用与访问。 4.系统监测界面设计。包括用户信息添加、收费、历史数据报表显示、数据查询等界面。 第二章 系统总体方案设计 第一节 系统组成及工作原理 RS-485远程电表抄表网络结构如图2.1所示。网络由三部分构成:PC、RS-232/RS-485转换器和多块电能表组成。其中,PC通过RS-232 COM口进行抄表通信;RS-232端口信号通过RS-232/RS-485转换器变成RS-485信号,该信号连接到各个电能表的RS-485接口上,形成一个远程RS-485抄表网络。网络中的电能表为新型的数字电能表,该种数字电能表通常配有RS-485接口,并提供数据通信协议,以方便用户组成RS-485远程抄表网络。 在该抄表网络中,每个电子电能表为一个RS-485网络结点;网络形式为1对多半双工网络。网络的工作原理是:上位PC机通过抄表软件首先发送某个被抄电子电能表的地址号(节点号);通常网络中各节点的电子电能表的RS-485接口都处于接收状态,当接收到PC发送出的电子电能表地址号后,每个电子电能表用该地址号与自己的地址编码对照,相符的电子电能表随后将表中累计的用户用电量发送到RS-485网络中,最后PC将该电量上抄后进行数据存储和管理。 PC机通过VB抄表管理软件进行抄表,将上抄后的数据存储到access数据库中。然后进行收费、查看历史数据等工作。 RS-232RS-485转换器 RS-232RS-485转换器 PC机 电表 电表 电表 电表 图2.1 RS-485远程电表抄表网络结构图 第二节 系统实现的功能 该系统中电表由电能计量芯片、存储器、单片机、电源模块、显示器和RS-485接口组成,可以实现电量采集和存储以及电量显示等功能。系统管理界面采用VB6.0设计,数据库采用access数据库,可实现用户电表信息的添加和删除、远程自动抄表、数据查询、历史数据报表显示、打印账单等功能。抄表人员无须去现场,在控制中心即可通过计算机进行抄表,节省了大量人力资源,使用户能够合理、安全、方便地用电。 第三章 系统的硬件设计 第一节 多功能数字电能表 本课题抄表网络中,节点为新型的数字电能表。图3.1为数字电能表电路原理图。其中,电源模块提供5V直流电源;ADE7755为美国AD公司生产的高精度有功电能计量数字芯片,可以输出对应有功功率的脉冲信号,供单片机计量累计用电量。通常3200个脉冲对应1 kW?h电量;脉冲频率正比于有功功率的大小。数字电能表的核心部分为PHILIPS公司生产的51内核的8位高性能单片机,该单片机的主要工作是对ADE7755产生的脉冲进行累计。此外,CPU还通过FLASH存储器93C46进行累计电量保存;通过ZLG7289芯片进行LED显示;通过RS-485接口电路进行远程通信。电子式电能表有较好的线性度和稳定度,具有功耗小,电压和频率的响应速度快,测量精度高等诸多优点。 ADE7755 ADE7755 能计量芯片 EEPROM 93C46 PHILIPS LPC 764 单片机 电源模块 显示控制7289 LED显示模块 RS-485接口 图3.1 数字电能表电路结构框图 一、电能表电路原理 电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,采用乘法器实现对电功率的测量,其工作原理框图如图3.2所示。被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M,乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U,然后再利用电压/频率转换器,U被转换成相应的脉冲频率f,将该频率分频,并通过一段时间内计数器的计数,显示出相应的电能。 图3.2 电子式电能表工作原理框图 1 输入变换电路 电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。输入电路的作用,一方面是将被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中;另一方面是使乘法器和电网隔离,减小干扰。 要测量几安培乃至几十安培的交流电流,必须要将其转变为等效的小信号交流电压(或电流),否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片;经互感器接入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联,以达到前级互感器二次侧不带强电的要求。锰铜分流器和普通电流互感器相比,具有线性好和温度系数小等优点。 和被测电流一样,上百伏(100V或220V)的被测电压也必须经分压器或电压互感器转变为等效的小电压信号,方可送入乘法器。电子式电能表内使用的分压器一般为电阻网络或电压互感器。 ①电阻网络 采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低,缺点是不能实现电气隔离。 实用中,一般采用多级(如3级)分压,以便提高耐压和方便补偿与调试。 ②电压互感器 采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离,并可提高电能表的抗干扰能力,缺点是成本高。其电路图如图3.3所示。 u(t)=KU UU(t) 式中 U(t)—被测电压; UU(t)—送给乘法器的等效电压。 图3.3 电压互感器电路图 2 乘法器 模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号(如输入电能表内连续变化的电压和电流)进行相乘作用的电子电路,通常具有两个输入端和一个输出端,是一个三端网络。电子式电能表常用的乘法器为时分割乘法器。 时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进行调宽调幅的工作过程。它在提供的节拍信号的周期T里,对被测电压信号Ux作脉冲调宽式处理,调制出正负宽度T1、T2之差(时间量)与Ux成正比的不等宽方波脉冲,即T2-T1=K1Ux;再以此脉冲宽度控制与Ux同频的被测电压信号Uy的正负极性持续时间,进行调幅处理,使U=K2Uy;最后将调宽调幅波经滤波器输出,输出电压U0为每个周期T内电压U的平均值,它反映了Ux、Uy两同频电压乘积的平均值,实现了两信号的相乘,输出的调宽调幅方波如图3.4所示。 图3.4 调宽调幅波示意图 3 电压/频率转换器 目前采用的电压/频率转换器,大多是利用积分方式实现转换。电子式电能表常用的双向积分式电压/频率转换器的原理电路如图3.5所示。运放N和电容C组成积分器,上下电平比较器有两个比较电平U1、U2。输出电压波形如图3.6所示。当开关S接通\ufe62U1时,电容C充电,输出电压U0往负向变化(ab段);当达到比较器的下限电平U2时,比较器控制开关S接通\ufe63U1,C放电,电压U0往正向变化;当达到比较器的上限电平U1时,S再次接通+U1,如此反复,达稳态后,便得到了周期为 T的三角波。由于ab段和cd段的积分斜率是一样的,故积分时间也相等,均为T/2。根据积分器输入、输出电压关系 得到输出电压U0的频率 即输出频率f与输入电压U1成正比。 倒相器 倒相器 N C U0 +Ui -Ui 上下电平比较器 图3.5 双向积分式电压/频率转换器的原理电路图 a a +Ui -Ui t t U1 U2 U c b 图3.6 双向积分式电压/频率转换器的波形图 这种电压/频率转换器的主要特点是输出频率较低,选择高稳定性的R、C元件,可使其准确度长期保持在±0.1%的水平。 4 分频计数器 所谓分频,就是使输出信号的频率分为输入信号频率的整数分之一;所谓计数,就是对输入的频率信号累计脉冲个数。 在电子式电能表中,分频器和计数器一般采用CMOS集成电路器件。这是因为集成电路器件工作可靠性、抗干扰能力、功率消耗、电路和机械尺寸等一系列指标均优于分立元器件组成的电路。 5 显示器 目前常见的电子式电能表显示器件有三种:液晶(LCD)、发光二极管(LED)、荧光管(FIP)。 液晶显示器(LCD)是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实现显示功能的。它根据光学原理可分为透射式、反射式和半透半反射式;根据视角大小可分为TN型(视角为 90o)和STN型(视角可达 160o)两种;根据工作温度范围可分为普遍型(0~65 oC)和宽温型(\ufe6330~85 oC)。液晶显示器在静态直流电场下寿命很短(一般为几千小时),而在动态交变电场下寿命很长(可达20万h);除具有长寿命的优点之外,还具有功耗小(小于10μA),在有一定采光度时显示对比强等优点。 发光二极管(LED)是利用特殊结构和材质的二极管在施加正向工作电压、具有一定工作电流时,发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。根据同一正向工作电流下的发光强度可将其分为普亮、高亮和超高亮3种。发光二极管颜色有红、绿、黄等多种,具有温度范围宽(\ufe6340~85 o C)、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点;缺点是寿命短(一般为3万~5万h)、耗电大(一般5~10mA)、露天下显示不清等。 荧光显示板(FIP)是利用特种荧光物质在一定电场和一定红外线热能下产生一定亮度的可见荧光来实现显示功能的。除成本高缺点外,其优缺点和发光二极管基本相同。 二、电能表主要性能 (1) 电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环境允许误差为依据,因此可保证整机长期稳定工作;精度基本不受频率、温度、电压变化影响;整机体积小,重量轻,密封性能好,可靠性较其他同类产品有明显提高。 (2) 当电网停电后,锂电池作为后备电源,提供停电后表内电量的显示读取,并保证内部数据不丢失,日历、时钟、时段程序控制功能正常运行,来电后自动投入运行。在电能表端钮盒上设置有光电耦合脉冲输出接口,以便于进行误差测试和数据采集。 (3) 电能表运行信息可由手持电脑、RS485接口、国际标准IC卡三种媒介传输,电力部门可根据本地区具体情况自行选择一种或多种传输方式。 (4) 为方便用户现场更换电能表,使用表中特有的复印功能,可以方便地将被更换表的所有信息复印至更换后的电能表上,安全可靠,简化了用户更换电能表的工作程序,提高了工作效率。 (5) 电能表适用于环境温度为\ufe6325~60℃ 第二节 RS485抄表网络设计 一、RS-485串口通信标准 RS-422由RS-232发展而来,它是为弥补RS-232不足而提出的。为改进RS-232抗干扰能力差、通信距离短、数据传输率低的缺点,RS-422定义了一种平衡通信接口,将数据传输率提高到10Mbit/s,传输距离延长到约1219m(4000英尺);(数据传输率低于100kbit/s时),并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范,被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围,EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准,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,后命名为TIA/EIA-485-A标准[6]。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀,所以在通信工业领域,仍然习惯将上述标准以RS作为前缀称谓。 RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性作出规定,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。有关电气参数见表。 表3.1 RS-232、RS-422、RS-485电气参数比较 规定 RS-232 RS-422 RS-485 工作方式 单端 差分 差分 节点数 1收、1发 1发、10收 1发、32收 最大传输电缆长度 15.24m(50英尺) 121.92m(400英尺) 121.92m(400英尺) 最大数据传输率 20kbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 最大驱动输出电压 ±25V -0.25~+6V -7~+12V 驱动器输出信号电平 (负载最小值) 负载 ±5~±15V ±2.0V ±1.5V 驱动器输出信号电平 (空载最大值) 空载 ±25V ±6V ±6V 驱动器负载阻抗(Ω) 3~7K 100 54 接收器输入电压范围 ±15V -10~+10V -7~+12V 接收器输入门限 ±3V ±200mv ±200mv 接收器输入电阻(Ω) 3~7K 4K(最小) ≥12K 驱动器共模电压 -3~+3V -1~+3V 接收器共模电压 -7~+7V -7~+12V 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的,所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端匹配电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双线通信。其主要特点有: 1)RS-485的电气特性。逻辑“1”以两线间的电压差为±(2~6)V表示,逻辑“0”以两线间的电压差为 2)RS-485的数据最高传输速率为10Mbit/s。因为RS-485接口组成的半双工网络,一般只需两根连线,所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。 3)RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好,抗干扰性能大大高于RS-232接口,因而通信距离远,RS-485接口的最大传输距离为1200m,实际上可达3000m。 4)RS-485需要两个终端电阻,其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻,终接电阻接在传输总线的两端。 5)RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器,即具有多站点能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 RS-485协议可以看作是RS-232协议的替代标准,与传统的RS-232协议相比,其在通信速率、传输距离、多机连接等方面均有了非常大的提高,这也是工业系统中使用RS-485总线的主要原因。由于RS-485总线是RS-232总线的改良标准,所以在软件设计上它与RS-232总线基本上是一致的,如果不使用RS-485接口芯片提供的接收器、发送器选通的功能,为RS-232总线系统设计的软件部分完全可以不加修改直接应用到RS-485网络中。RS-485总线工业应用成熟,而且大量的已有工业设备均提供RS-485接口,因而,RS-485总线仍在工业应用中具有十分重要的地位。 二、RS485接口电路 RS-485接口电路图如图3.7所示。其中RXD和TXD为764CPU的异步串行通信接口的数据接收和发送引脚。RS-485通信接口的发送端和接收端硬件设计都采用MAX487SEA芯片,该器件能驱动128个节点;工业级工作温度;半双工方式通信,指令和数据的传送都采用应答方式,只需两根传输线。当P0.0=“0”,电路处于接收状态;P0.0=“1 图3.7 RS-485接口电路图 串行通信设计中主要有两个问题要注意:①在多机通信方式下,一个节点的故障往往会使得整个系统的通信框架崩溃,而且给故障的排查带来困难;②通信数据收发的靠性问题。本设计采用如下办法来解决这两个问题: 1通信载体是双绞线,它的特性阻抗为120Ω左右,所以在线路设计时,在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻,以减少线路上的传输信号反射。 2在RS-485芯片的特性中,接收器的检测灵敏度为±200mV,即差分输入端VA-VB≥+200 mV,输出逻辑为1,VA-VB≤-200 mV,输出逻辑0;而A、B端电位差的绝对值小于200 mV时,输出为不确定。如果在总线上所有发送器 被禁止时,接收器输出逻辑0.,这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B两端电位,这样RXD的电平在RS-485总线不发送期间呈现唯一的高电平,单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在RS-485电路的A、B输出端加上拉、下拉电阻,即可很好地解决这个问题。 三、max487芯片介绍 MAX487是专门为RS-485通信的半双工应用设计的小功率收发器,它含有一个驱动器和一个接收器。它的特点是具有限斜率的驱动器,即驱动器发送的数字信号,其边缘的斜率是受限制的,可以使电磁干扰(EMI)减至最小,并减少因电缆终端不匹配而产生的反射影响,因此可以高达250kbps的速率无误差的传送数据。而其它如MAX481,MAX485则不具备这种功能,在传输的准确性就要差一点[9]。MAX487的特点是: *无误差数据传送的限斜率驱动器 *0.1μA低电流关闭方式 *-7V~+12V共模输入电压范围 *三态输出 *半双工工作方式 *工作电源为单一的+5V *总线可接128个收发器 *限流和热敏控制电路为驱动器提供过载保护 因为MAX487的输入阻抗为48KΩ,允许在一条总线上接128片MAX487。标准的RS-485接收器的输入阻抗是12KΩ,总线上最多可以接32个收发器。所以MAX487可以和其他收发器任意组合,只要总负载小于或等于32个单位负载,则可以接在总线上。所以采用32个MAX487共用一条总线是完全可行的。 下图为MAX487的引脚排列及典型的工作电路模型: 图3.8 MAX487工作电路模型 MAX487引脚功能说明如下: 表3.2 MAX487引脚功能 引脚 名称 功能 1 RO 接受器输出端,A-B>200mV,RO=1,A-B0.2V 1 0 0