如何提高485總線系統的可靠性

　　引言

　　近年來，由于人們防火意識的不斷增強以及有關法律、法規的不斷完善，火災自動報警系統得到迅猛發展和廣泛應用，已成為預防火災、保障人民生命和財產安全的最重要手段。這就要求火災自動報警系統必須具有很高的可靠性和穩定性。

　　目前，國內火災報警系統多采用RS485半雙工異步通信總線進行聯網，實現火災報警控制器之間，以及火災報警控制器與火災顯示盤之間的通信。但在實際使用中，往往由于設備數量多、通信線路遠以及現場的各種干擾等，造成通信可靠性、穩定性不高，致使聯網系統的質量得不到保證。

　　筆者在火災自動報警系統的聯網設計中，經大量試驗，發現在使用RS485總線時，如果簡單地按常規方式設計電路，那么在實際工程中可能存在以下兩個問題：一是通信數據收發不可靠;二是在多機通信方式下，一個節點的故障(如死機)往往會使得整個系統的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來困難。針對上述問題，對485總線接口的軟硬件設計采取了有效的改進措施，大大提高了聯網系統的可靠性和穩定性。

　　1 RS-485總線接口硬件電路的設計

　　如圖1所示，89C51單片機自帶異步通信接口，外接RS485收發器75LBC184，89C51的異步通信口與75LBC184之間采用3片光耦進行電氣隔離。

　　1.1 75LBC184 DE控制端的設計

　　由于火災報警控制系統中主機與分機相隔較遠，通信線路的總長度往往超過1 000 m，而分機系統上電或復位又常常不在同一個時刻完成。如果此時某個75LBC184的DE端電位為1，那么它的485總線輸出將處于發送狀態，也就是占用了通信總線，這樣其他分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現在某個分機出現異常情況(如死機)下，會使整個系統通信崩潰。因此在電路設計時，應保證系統上電復位時75LBC184的DE端電位為0。由于89C51在復位期間，I/O口輸出高電平，故圖1中電的接法可有效地解決復位期間分機“咬”總線的問題。

　　圖1 改進后的485通信接口原理路

　　1.2 隔離光耦電路的參數選取

　　在火災報警系統中，要對現場情況進行實時監控及響應，因此通信數據的波特率往往做得較高(本系統中控制器與顯示盤之間的通信速率在6 250 bps)。限制通信波特率提高的“瓶頸”并不是現場的導線(現場施工一般使用非屏蔽的雙絞線)，而是單片機系統進行信號隔離的光耦電路。此處采用TIL117，電路設計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片;也可以優化普通光耦電路參數的設計，使之工作在最佳狀態。例如：電阻R2、R3如果選取得較大，則會使光耦的發光管由截止進入飽和變得較慢;如果選取得過小，則退出飽和會很慢。所以這兩只電阻的數值要精心選取，不同型號的光耦及驅動電路使得這兩個電阻值略有差異，在電路設計中應特別慎重，通常需要通過實驗確定。

　　1.3 485總線輸出電路部分的設計

　　輸出電路的設計要充分考慮線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。信號在傳輸過程中會產生電磁干擾和終端反射，使有效信號和無效信號在傳輸線上相互疊加，嚴重時會使通信無法正常進行。為解決這一問題，某些芯片的驅動器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不要過陡，以免在傳輸線上產生過多的高頻分量，從而有效地扼制干擾的產生。在設計選型時，最好選擇具有該種功能的RS485接口芯片。同時，RS485接口芯片在使用、焊接或設備的運輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞;而且由于工程環境比較復雜，現場常有各種形式的干擾源，在傳輸線架設于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統還有可能遭致雷電的襲擊。所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施，在電路設計中選用抗靜電或抗雷擊的芯片可有效避免此類損失。本系統中選用的是75LBC184，它的驅動器不但設計成限斜率方式輸出，而且能抗雷電的沖擊，承受高達8 kV的靜電放電沖擊，在實際使用中效果十分理想。

　　考慮到線路的特殊情況(例如某臺分機的485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其他分機的通信受到影響，在75LBC184的485信號輸出端串聯了兩個20 Ω的電阻R10和R11。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。

　　在消防報警產品的現場施工中，通信載體一般采用雙絞線。其特性阻抗為120 Ω左右，所以線路設計時，在485網絡傳輸線的始端和末端應各接1只120 Ω的匹配電阻(如圖1中的R8)，以減少線路上傳輸信號的反射。由于RS485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為