基于RS485工业总线系统树型拓扑技术的研究及应用

中图分类号： F403 文献标识码： A 文章编号：

RS485总线应用背景

随着单片机技术的发展，对智能终端设备实现远程控制、远程数据采集的要求日益提高，在智能仪表、智能生产线、安防监控系统、自动报警系统、移动信号放大设备、大空间智能消防设备等领域应用尤为广泛。其中大型会展场馆、车站、机场、密集住宅小区的大型建筑兴建，智能设备的数量数以万计，有线通信距离也超过万米，这对智能控制网络提出了新的挑战，工业总线的树型拓扑系统正是解决这一问题而研究出来

本系统结合实际工程应用经验，介绍RS485工业总线在大型网络中的应用。

RS485工业总线原理

根据TIA/EIA-485-A标准（简称RS485工业总线标准），RS485总线数据收发方式为半双工模式，传输线路一般为两线制（“A”、“B”线），且以差分方式传输信号，总线收发器具有高灵敏度, 可以区分200mV的压差变化。RS485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—6）V表示。当“A”-“B”≥±200mV|时为逻辑“1”。 当“A”-“B”≤-200mV时为逻辑“0”。

树型拓扑结构

树型拓扑结构原理

理论上一条RS485总线可以挂载255个终端，通信距离达到3千米。但在工程应用实例中，由于环境的影响总线带载终端能力只能在32个左右 ，传输距离也仅仅为理论的1/10。通信距离在300米时终端设备超过32个,或者终端设备32个，通信距离超过300米时，通信的不稳定性增加通信成功率下降，基于此现象，采用树型拓扑结构系统（其形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支）就能很好地解决这一问题。

RS485树型拓扑结构系统中，“控制中心”为起始节点，一般为系统的控制主机，是系统的大脑，负责信息数据的处理以及对外联动作用。“中继器路由”为中间节点串接于RS485总线中，负责本链路中的设备数据交换，只允许本区域管理的设备数据交换，隔离非本区域数据的进出，若其中某一链路出现故障，则不影响其它链路设备的工作；“中继路由”具有设备拓扑、通信接力远传功能，每增加一个“中继路由”，系统就可以增加设备32pcs稳定工作，且通信距离就增加一个数量等级。“终端”为终点节点，也就是系统的终端设备，负责数据的采集、控制或智能化处理，例如智能仪表中的数字水、电、气表，监控系统中的摄像机云台，安防系统中的入侵报警设备、智能消防系统中的灭火装置等。

图一 RS485树型拓扑结构示意图。

在拓扑系统中，RS485总线的带载能力M=N,总线最远通信距离L=L×(n-1)。N为单路总线稳定工作状态下允许最大负载，取经验值32pcs；L为单级总线可靠通信最远距离，取经验值300米，n为树型结构层数，如图一，4层树型结构为例子，终端带载能力为M=32=32768(pcs), 总线最远通信距离L= 300×(4-1)=1200(米)。

树型拓扑结构软件设计

在树型拓扑结构系统中，各链路的设备地址必须唯一。使用多层地址影射进行分组管理，例如4层物理结构中，对电文数据包addr1 addr2 addr3 0x03 0xff crc16解释为：addr1为第一层的中继路由地址，addr2为第二层中继路由地址，addr3为终端地址，0x03和0xff为数据内容，crc16为校验值，那么各个设备只允许本身设备地址码的数据流通，就可以形成一条唯一的信道，这样避免了数据竞争的现象出现。每个数据包的结束以末位的crc16校验及每个数据位的时间间隔超过T为结束，其中T通过和数据位长度计算，例如“波特率9600bps，数据位8，校验位non，停止位1”，那么发一个字节的时间为t=9*(1/9600)≈1mS，超过3.5字节总线上无数据，即T=3.5mS，则判断为总线数据传输结束，可以进行对收到的数据进行处理。

RS485电路设计

单片机电路和RS485电路采双路电源供电，RS485电路采用光电隔离，设置防浪涌雷击电路，为了防止某一个设备故障影响整个链路的通信“A”“B”须分别串接20Ω电阻。为了使“A”“B”在空闲时后具有固定状态，总线须设置上下拉电阻。计算总线路阻抗R= R1/N， R1为每个终端设备上下拉电阻阻值，N为总线挂载设备数量，综合多个实际工程使用经验及总结，若每个设备的上下拉电阻取值3K，则该总线最大带载能力不超过20pcs。经过反复比较分析后，R取经验值1.45K。例如，若总线挂载数量32pcs终端，加上控制中心主机，那么R1=R×(32+1)=1.45K×33=47.86K，取常规阻值47K，则RS485通信电路中的“A”“B”上下拉电阻取值为47K。