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      RS485采用差分信號,為什么還用三線制?共模干擾,RS485通訊的正確接線

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2022-12-12

      RS-485是一種應用十分廣泛的通信協議。其顯著特點是信號采用“差分”的方式傳輸,因此抗干擾能力很強,通信距離也比RS-232遠得多。RS-485通信一般是半雙工的,僅需要2根信號線,也可以是全雙工的,需要4根信號線。

      RS-485采用四線接法示意圖 

      RS-485采用二線接示意圖,半雙工 
      差分信號是一對大小相等而極性相反的對稱信號,差分信號用于傳輸有用的信號。共模信號是作用于差分信號線上的一對大小相等極性也相同的信號,共模信號往往來自于外部干擾。差分信號在接收端是靠差分放大器來檢測的。差分放大器只對兩路輸入信號之間的差值起放大作用,而對兩路輸入信號共同對地的電位不起作用。在差分信號傳輸過程中會遇到外部干擾信號,但是,由于兩根差分信號線始終在一起,因此干擾信號一般都會同時作用在兩根信號線上,形成疊加在兩根信號線上大小相等相位也相同的共模信號,因此差分傳輸的信號對外部干擾具備很強的抗干擾能力。
      共模干擾問題盡管不影響正常通訊,但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍,如RS-485收發器共模電壓范圍為-7~+12V,只有滿足上述條件,整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。當發送驅動器A向接收器B發送數據時,發送驅動器A的輸出共模電壓為VOS,由于兩個系統具有各自獨立的接地系統,存在著地電位差VGPD。那么,接收器輸入端的共模電壓VCM就會達到VCM=VOS+VGPD。雖然RS-485標準規定VOS≤3V,但VGPD可能會有很大幅度(十幾伏甚至數十伏),并可能伴有強干擾信號,致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍,并在傳輸線路上產生干擾電流,輕則影響正常通信,重則損壞通信接口電路。
      由于上述原因, RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式,但對整個RS-485網絡,必須有一條低阻的信號地。一條低阻的信號地將兩個接口的工作地連接起來,使共模干擾電壓VGPD被短路。這條信號地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層(但抗干擾能力將下降) ,分別連接兩頭網絡設備的網絡平衡線接口 。


      RS485接口為什么要接地

      RS485接口有三根線,分別是A、B和GND線。因為RS485是差分傳輸的,所以很多工程師以為GND地線不重要,經常不接,甚至有些工程為了節約成本用兩芯線或者用視頻線來傳輸RS485信號。如果接口不加保護,經常容易損壞。

      雖然如果不接地線,在很多場合是能正常工作的,但卻埋下了很大的隱患,這有二個原因:

      (1)共模干擾問題: RS-485接口采用差分方式傳輸信號,并不需要相對于某個參照點來檢測信號,系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍,RS-485收發器共模電壓范圍為-7~+12V,只有滿足上述條件,整個網絡才能正常工作。因為RS-485是總線方式的傳輸,總線上有很多的節點,當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠,甚至損壞接口。

      (2)EMI電磁兼容性問題:發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路,如沒有一個信號地這個低阻的返回通道,信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端,整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

      即使接地后,如果接口不加保護,還是經常容易損壞。因為雷擊、電源波動、感應開關和靜電放電會通過產生較大瞬變電壓和浪涌電流都會對接口造成損害,采用磁隔離是性價比最高的方案。


      2.1.1、一般說來電磁干擾源分為兩大類:自然干擾源與和人為干擾源。 自然干擾源主要來源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。他們既是地球電磁環境的基本要素組成部分,同時又是對無線電通訊和空間技術造成干擾的干擾源。自然噪聲會對人造衛星和宇宙飛船的運行產生干擾,也會對彈道導彈運載火箭的發射產生干擾。 人為干擾源是有機電或其他人工裝置產生電磁能量干擾,其中一部分是專門用來發射電磁能量的裝置,如廣播、電視、通信、雷達和導航等無線電設備,稱為有意發射干擾源。另一部分是在完成自身功能的同時附帶產生電磁能量的發射,如交通車輛、架空輸電線、照明器具、電動機械、家用電器以及工業、醫用射頻設備等等。因此這部分又成為無意發射干擾源。

      2.1.2、從電磁干擾屬性來分,可以分為功能型干擾源和非功能性干擾源。 功能性干擾源系指設備實現功能過程中造成對其他設備的直接干擾;非功能性干擾源是指用電裝置在實現自身功能的同時伴隨產生或附加產生的副作用,如開關閉合或切斷產生的電弧放電干擾。

      2.1.3、從電磁干擾信號頻譜寬度,可以分為寬帶干擾源和窄帶干擾源。 他們是相對于指定感受器的帶寬大或小來加以區別的。 干擾信號的帶寬大于指定感受器帶寬的成為當代干擾,反之稱為窄帶干擾源。

      2.1.4、從干擾信號的頻率范圍來分 可以把干擾源分為工頻與音頻干擾源(50Hz及其諧波)、甚低頻干擾源(30Hz以下)、載頻干擾源(10kHz~300kHz)、射頻及視頻干擾源(300kHz)、微波干擾源(300MHz~100GHz)。

      2.2、電磁干擾傳播途徑

      電磁干擾傳播途徑一般也分為兩種:即傳導耦合方式和輻射耦合方式。 任何電磁干擾的發生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑(或傳輸通道)。通常認為電磁干擾傳輸有兩種方式:一種是傳導傳輸方式;另一種是輻射傳輸方式。因此從被干擾的敏感器來看,干擾耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩大類。 傳導傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接,干擾信號沿著這個連接電路傳遞到敏感器,發生干擾現象。這個傳輸電路可包括導線,設備的導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。 輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播,干擾能量按電磁場的規律向周圍空間發射。常見的輻射耦合由三種:1. 甲天線發射的電磁波被乙天線意外接受,稱為天線對天線耦合;2. 空間電磁場經導線感應而耦合,稱為場對線的耦合;3.兩根平行導線之間的高頻信號感應,稱為線對線的感應耦合。 在實際工程中,兩個設備之間發生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。


      1. 接地的概念
      1.1 電氣接地的意義
      電力系統、電氣裝置和電氣設備的某一部分與大地做良好的電氣連接稱為 接地。電氣接地對電力系統和電氣設備安全及可靠運行, 對操作、維護和運行人員的安全都起著重大作用。
      1.2 接地的類別
      一般按照接地所起的作用進行分類,接地可分為如下種類:
      a. 工作接地 (功能性接地)
      對于電源系統:在正;蚴鹿是闆r下,為了保證電力系統和毾設備的可靠運行,必須將電力系統中的某一點(發電機、變壓器的中性點)直接或經過消弧線圈、電抗器、電阻器等設備與大地作良好的電氣連接,這就是工作接地。
      對于電氣設備:電動機的中性點,電氣裝置中為運行需要所設置的接地也稱為工作接地。如單相電器的零線端就是工作接地。
      b. 保護接地
      電氣設備或電氣裝置正常不帶電的金屬部分和金屬外殼接地稱為保護接地。在大多數的場合,保護接地能夠有效地防止因絕緣損壞、漏電或其他原因而導致電氣設備的金
      屬外殼帶電而造成人身觸電事故。如電動機、電氣柜的外殼的接地,電流互感器、電壓互感器的二次繞組一端接地都屬于保護接地。
      c. 防靜電接地
      生產、加工、貯存、運輸各種易燃、易爆的氣體、液體、粉末狀產品的設備通常會產生靜電,容易造成起火、 爆炸等事故。 因此,需要將這些設備接地, 將靜電引入地下,以確保安全。這種接地稱為防靜電接地。
      d. 防雷及防過電壓接地
      將避雷針、避雷帶接地或將避雷器、浪涌電壓保護器接地,以避免雷電或過電壓對人身和電氣設備造成的傷害,這種接地稱為防雷及防過電壓接地。
      e. 屏蔽接地
      工業企業常見的干擾源
      - 變流器
      - 繼電器接觸器
      - 電焊機
      - 氣體放電燈
      - 射頻裝置
      一些電子設備和傳輸模擬信號的電線極易受到電磁場的干擾,因此需要在外邊做屏蔽罩、屏蔽網并將其接地,稱為屏蔽接地。產生高頻信號的電子設備和傳輸高頻信號的電線一般也要做屏蔽接地,以防止對其它設備造成干擾。
      屏蔽線(電纜)是一種常用的抗干擾措施。
      屏蔽線的機理:如果空間的電磁干擾通過屏蔽線時,一部分會被屏蔽網反射和吸收,一部分將進入屏蔽網。進入屏蔽網的那部分電磁場也會有一部分會因折射重新被屏蔽網吸收。這樣進入屏蔽線的能量將會大大地減少。被屏蔽網吸收的電磁場能量要通過接地及時引導至大地。如變頻器或直流傳動裝置的速度給定電位器的屏蔽線的接地就屬于屏蔽接地。屏蔽線一般要求單端接地即可,以防止因二個接地點電位不同而在屏蔽網中產生的電流,反而會引起干擾。


      RS485通訊的正確接線方式介紹

      rs-485采用平衡發送和差分接收方式實現通信:發送端將串行口的ttl電平信號轉換成差分信號a,b兩路輸出,經過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成ttl電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,所以有極強的抗共模干擾的能力,總線收發器靈敏度很高,可以檢測到低至200mv電壓。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復。rs-485最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10mb/s,傳輸速率與傳輸距離成反比,在100kb/s的傳輸速率下,才可以達到最大的通信距離,如果需傳輸更長的距離,需要加485中繼器。rs-485采用半雙工工作方式,支持多點數據通信。rs-485總線網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構。即采用一條總線將各個節點串接起來,不支持環形或星型網絡。如果需要使用星型結構,就必須使用485中繼器或者485集線器才可以。rs-485總線一般最大支持32個節點,如果使用特制的485芯片,可以達到128個或者256個節點,最大的可以支持到400個節點。

      rs485布線規范

      485總線由于其布線簡單,穩定可靠從而廣泛的應用于視頻監控,門禁對講,樓宇報警等各個領域中,但是,在485總線布線過程中由于有很多不完全準確的概念導致出現很多問題,F在將一些錯誤的觀念作出一些澄清。

      1.485信號線不可以和電源線一同走線。在實際施工當中,由于走線都是通過管線走的,施工方有的時候為了圖方便,直接將485信號線和電源線綁在一起,由于強電具有強烈的電磁信號對弱電進行干擾,從而導致485信號不穩定,導致通信不穩定。

      2.485信號線可以使用屏蔽線作為布線,也可以使用非屏蔽線作為布線。由于485信號是利用差模傳輸的,即由485+與485-的電壓差來作為信號傳輸。如果外部有一個干擾源對其進行干擾,使用雙絞線進行485信號傳輸的時候,由于其雙絞,干擾對于485+,485-的干擾效果都是一樣的,那電壓差依然是不變的,對于485信號的干擾縮到了最小。同樣的道理,如果有屏蔽線起到屏蔽作用的話,外部干擾源對于其的干擾影響也可以盡可能的縮小。

      RS485通訊的正確接線 

      3.選擇使用普通的超五類屏蔽雙絞線即網線就可以。由于原材料價格上漲,導致現在市場上的線材魚龍混雜,有不良商人利用某種合金來頂替銅絲來做網線,在外面鍍銅以蒙混客戶。具體區別方法:看網線截面,如果是銅色的話,就是銅絲,如為白色,則是用合金以次充好。合金一般比較脆,容易斷,而且導電性遠不如銅絲,很容易在工程施工中造成問題。線材一般那建議選擇標準的485線,其為屏蔽雙絞線,傳輸線不是像網線那樣為單股的銅絲,而是多股銅絲絞在一起形成一根線,從而即使某根小銅絲斷掉,也不會影響整個的使用。

      4.485布線借助485集線器和485中繼器可以任意布設成星型接線與樹形接線。485布線規范是必須要手牽手的布線,一旦沒有借助485集線器和485中繼器直接布設成星型連接和樹形連接,很容易造成信號反射導致總線不穩定。很多施工方在485布線過程中,使用了星型接線和樹形接線,有的時候整個系統非常穩定,但是有的時候則總是出現問題,又很難查找原因,一般都是由于不規范布線所引起的。

      5.485總線必須要接地。在很多技術文檔中,都提到485總線必須要接地,但是沒有詳細的提出如何接地。嚴格的說,485總線必須要單點可靠接地。單點就是整個485總線上只能是有一個點接地,不能多點接地,因為將其接地是因為要將地線(一般都是屏蔽線作地線)上的電壓保持一致,防止共模干擾,如果多點接地適得其反?煽拷拥貢r整個485線路的地線必須要有良好的接觸,從而保證電壓一致,因為在實際施工中,為了接線方便,將線剪成多段再連接,但是沒有將屏蔽線作良好的連接,從而使得其地線分成了多段,電壓不能保持一致,導致共模干擾。

      Tags:RS485,共模干擾,查分信號  
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