概述

單片機在當今的儀表及工業測控設備上應用非常廣泛。其功能強大、外圍接口電路簡單，在構成分布式系統時，其優越性更顯突出。在分布式系統中，分機常采用多機通信方式，由于RS-485（以下簡稱485）通信接口的傳輸距離遠，連線少，所以被認為是一種很好的通信模式。然而，在實際應用過程中，若使用不當，485接口會出現很多問題：首先是器件經常損壞，有時對電源進行幾次連續的開關機操作之后，通信電路就會失控；再有，在通信過程中，數據傳輸經常出現誤碼，而且誤碼率很高。在系統調試過程中，有兩次記錄可以證明這一點，記錄如表1所列。

表1 調試記錄

一、 硬件分析

首先分析通信電路失控的原因。系統在上電復位階段，所有485芯片都處于輸出狀態，而且只有其中某一臺分機發出數據。以這臺分機輸出口的狀態為例進行分析，如圖1所示。A、B為485接口的兩只引腳，圖1（a）中的A1“An為高電平，B1”Bn為低電平；而A為低電平，B為高電平，其中一個分支的等效電路如圖1（b）所示。由于每個出口電路的電阻取值相同，都取22Ω，則C點電位接近An點電位。分機數量越大，兩點電位就越接近。485芯片為差動輸出方式，同時有拉電流和灌電流存在，電流I=U/R。由于電流I的存在，使485的差動輸出端各有0.3V的電壓降。485芯片由輸出口造成的功率損耗為

P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。

U=5-0.3×2=4.4V

R=22Ω

I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A

P=0.6×0.2=0.12W=120mW

圖1

由于功耗P與485芯片的耗散功率接近，所以485芯片經常有損壞的現象。為了解決這個問題，只有降低485芯片的功率損耗。由功耗P的計算公式可知，由于電壓一定，只有增大R值，才能減小功耗P。又因為在正常狀態下，485芯片的接收端處于差動輸入狀態，這時，起發送作用的485芯片的輸出端除了導線的分布電容，再無其它負載，而在485芯片輸出相位切換時刻，可將分布電容看作是AB線短路，則I=U/（2R）。從工程應用的實踐經驗中得出，20mA電流環，可使通信數據穩定。

由I=U/（2R）得

R=U/2I=4.4/（20×2）=0.11kΩ=110Ω

在實際應用中，R選用100Ω電阻，經過這樣處理之后， 485芯片再也沒有出現損壞的現象。

以上分析是針對主、分機采用同一電源的對于各自獨立電源供電的通信網絡，485輸出口的狀態最后仍然等效成如圖1（b）所示電路。

在主機通信口由輸出轉為輸入狀態時，分機還沒有接管通信總線，這時通信線處于懸浮狀態，極易拾取噪聲。分機與主機采用同組電源時，其噪聲幅度與信號幅度接近，如圖2（a）所示；當分機采用各自獨立電源時，其噪聲幅度大于2倍信號幅度，如圖2（b）所示。

圖2

二、 通信協議的影響

在數據傳輸過程中，每組數據都包含著特殊的意義，這就是通信協議。主、分機之間必須要有協議，這個協議是以通信數據的正確性為前提的，而數據傳輸的正確與否又完全決定于傳輸途徑，即傳輸線。也就是說保證傳輸線狀態穩定與通信協議有直接聯系。

在主從式通信系統中，把數據傳輸過程劃分成幾個階段來分析，如圖（3）所示。在圖3a中，t0“t1為主機向分機發送命令時間。在t1時刻，主機將差動輸出狀態轉換成輸入狀態。在圖3（b）中，t2之后的時間為分機向主機傳送數據階段，分機由輸入狀態變成輸出狀態。由于單片機多機通信大多采用異步串行方式，所以發送數據后的TI置位和接收機RI的置位時間有一段時間差，而且接收機在轉換到輸出狀態前要有一段圖3圖4數據處理時間，這兩段時間加起來不可忽視。在圖3（c）中，t1”t2即為這段時間，這時串行通信總線處于懸浮狀態，極易拾取空間干擾信號，這時主機與另外的分機可能會同時得到一個無規則的數據，對分機而言可能是錯誤指令，造成錯誤反應。為此，在通信協議中加入延時階段，來解決此問題。如圖4所示：在圖4（a）中，t1“t3為延時階段；在圖4（b）中t2”t4為分機的延時階段；圖4（c）中，t1“t2為分機的反應時間。延時時間T的大小可按分機接到主機命令后的最長反應時間的2倍來計算。

延時階段的作用可用圖4（c）來分析。在圖4（c）中，主機控制數據總線的時間由t1延長到t3，分機的反應時刻為t2，但分機有效數據從延時后的t4時刻開始，這樣在通信總線上有主機和某臺分機同時控制的一段時間即t2”t3的時間段。由于主機和分機對總線控制的方向相同，所以不會對這兩臺機器的硬件造成影響，而且在t1“t2階段，總線一直處于低阻狀態，不會產生噪聲，所以總線的抗干擾能力也加強了，提高了通信的穩定性。

三、 通信協議框圖

通信協議實現的流程圖如圖5所示。

圖5

結束語

多機通信系統通信穩定性還與各個分機的狀態有關。無論是軟件還是硬件，一旦某臺分機出現問題，都可能造成整個系統混亂。故障出現時，有兩種可能現象發生：其一是故障分機的485口被固定為輸出狀態，通信總線硬件電路被鉗位，信號無法傳輸；其二是故障分機的485口被固定為輸入狀態，在主機呼叫該號分機時，通信線路仍然有懸浮狀態，還會出現噪聲信號。所以，在系統使用過程中，注意對整個系統的維護，以保證系統的穩定性。該方法已在錦州消防安全儀器總廠的產品JB-TGZ4L-2000型消防報警控制器中得到應用。

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