RS-485总线在TP网络物理层中的应用BACnet标准

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：MS／TP网络在硬件组成上包括RS-485收发器、计时器和通用异步收发器3个构件。MS／TP网络网络层RS-485总线的连接如图6-6所示。图6-6 MS／TP网络网络层RS-485总线的连接RS-485标准采用平衡（或差分）式数据传输模式，具有较强的抗干扰能力，传输介质采用较为廉价的屏蔽双绞线，并且在传输介质上可以挂接多个接收器。

1.MS／TP网络物理层的RS-485标准

RS-485标准是1983年制定的串行数据传输标准，最初用于计算机主机与外围设备之间的数据传输。随着串行数据传输标准的发展，RS-485总线技术在各种控制系统中得到了大量的应用。在楼宇自控领域中，也存在大量RS-485标准的应用。RS-485总线具有多点、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，RS-485总线的通信标准命名为TIA／EIA-485-A标准。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作前缀称呼。RS-485标准应用于楼宇自控网络或其他控制网络中，需要解决传输介质的访问控制问题，并提供网络层界面服务规范定义的服务。在楼宇自控网络或其他自控网络中，若将RS-485标准作为网络的物理层，就必须在物理层与网络层间定义一个“数据链路层”。在BACnet标准中就是将RS-485标准作为自己的物理层，在BACnet网络层与物理层之间定义了一个相当于数据链路层的局域网协议——MS／TP标准。

MS／TP网络是一个混合网络。网络中，存在主站点（Master）和从站点（Slave）两种非对等的站点，使用“令牌（Token）”媒质访问机制进行传输介质的访问控制。当MS／TP网络完全由主站点组成时，则MS／TP网络变成完全对等的令牌访问网络。当MS／TP网络只有一个主站点时，则MS／TP网络变为真正意义上的主—从网络。MS／TP网络既可以在混合模式下运行，也可以在对等模式和主—从模式下运行，是一种工作方式非常灵活的网络。

MS／TP网络在硬件组成上包括RS-485收发器、计时器和通用异步收发器3个构件。由于MS／TP采用不归零（NRZ）编码，传输电缆线的连接是有极性的。RS-485收发器的非反向输入端指定为“正极”，而反向输入则为“负极”。在双绞线中，黑色或红色的绝缘线常指定为“正极”，白色、浅色或绿色的绝缘线常指定为“负极”。

MS／TP网络不采用T形连接，RS-485网段的两端分别连接120Ω终端负载电阻，但不允许在网段中间节点之间连接其他端接电阻，每个网段还应设置510Ω的网络偏压电阻，以保证处于未驱动状态下的通信线路可靠地位于逻辑“1”状态。这样，网络偏压电阻为站点检测线路上是否有信号提供了可靠的方法。若没有设置网络偏压电阻，当没有站点处于驱动状态时，通信线路就有可能处于不确定的逻辑状态。尤其在有较大噪声或者串音的情况下，某些站点可能将噪声或串音信号误认为是有效信号接收下来，从而产生错误操作。MS／TP网络网络层RS-485总线的连接如图6-6所示。

图6-6 MS／TP网络网络层RS-485总线的连接

RS-485标准采用平衡（或差分）式数据传输模式，具有较强的抗干扰能力，传输介质采用较为廉价的屏蔽双绞线，并且在传输介质上可以挂接多个接收器。因而RS-485标准广泛用于控制系统中现场级数据设备间的数据传输。许多通信标准采用RS-485标准作为物理层。

RS-485标准采用屏蔽双绞线作为传输介质，但没有规定传输速率和传输距离。实际应用时可以根据误码率的大小决定两者之间的关系。BACnet标准要求传输介质的特征阻抗为100～130Ω，分布电容小于100pF／m（30pF／ft^[1]），导体和屏蔽之间的分布电容小于200pF／m（60pF／ft）。双绞线的屏蔽方式可以为箔屏蔽或者编织屏蔽。若采用AWGl8（导体横截面积为0.82cm²）电缆，推荐最大MS／TP网段长度为1200m。

由于MS／TP网络物理层直接使用了RS-485总线，MS／TP网络中使用的2芯RS-485屏蔽双绞线如图6-7所示。

RS-485接口具有良好的抗噪声干扰能力、较长的传输距离和多站能力。RS-485总线正常情况下使用3根线缆，2根是数据线，1根是地线，RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输数据。但在许多应用场合使用两根线缆，即没有使用信号地线。

图6-7 MS／TP网络中使用的2芯RS-485屏蔽双绞线

2.不使用信号地线造成的问题

在RS-485通信网络中一般采用主从通信方式，就是一个主机和多个从机结构。很多情况连接RS-485通信链路时，仅仅简单地将一对双绞线各个接口的“A”、“B”端连接起来，而忽略了信号地的连接，这样连接在许许多应用场合是能够正常工作的，但却会导致一些严重问题。

第一个问题是共模干扰问题。RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统仅关注两线间的电位差。但RS-485收发器有－7～12V的共模电压范围，只有满足这个条件，整个RS-485网络才能正常工作。当共模电压超出这个范围就会影响整个网络的通信可靠性，甚至会损坏接口。

第二个问题是EMI问题。发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果有一个信号地，就存在这样一个低阻通路，否则就没有这样一个低阻通路，因此要以辐射的形式返回源端，整个总线就相当于一个能够向外辐射电磁波的天线。

3.RS-485总线的引出线长度和总线特性阻抗

RS-485网络只能采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形结构。组建RS-485网络时应该注意以下2点：

1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串联起来，为使引出线的反射信号对总线信号影响最小，从总线到每个节点的引出线要尽量短。许多场所下的网络连接尽管不正确，但在短距离和低速率的使用情况下系统仍能正常工作，但随着通信距离的延长和通信速率的提高，其不良影响越来越严重，引发问题的主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量下降。

2）由于总线特性阻抗的连续性导致在非连续点会发生信号反射。

以下3种情况能够产生不连续性：

1）总线的不同区段采用了不同的电缆。

2）或某一段总线上有分布密度较高的收发器。

3）过长的分支线引出到总线。

4.RS-485总线结构中的终端负载电阻

在RS-485组网过程中，还有一个重要问题是终端负载电阻的使用。在设备少、距离短的情况下，总线网络不使用终端负载电阻是能够正常工作的，但随着距离的增加，整个网络的通信性能降低。RS-485网络应在总线电缆的开始端和末端都并联终端电阻，其阻值取120Ω，相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法也存在一个缺点：匹配电阻要消耗较大功率。还有一种功耗减小的匹配方法，就是利用一只电容C隔断直流成分来减小功耗。但电容C的容值选择较为困难，要在功耗和匹配质量之间进行平衡。采用二极管匹配也是一种匹配方法，使用二极管的钳位作用削弱反射信号，用以改善信号质量。

5.RS-485电缆的长度

在组织RS-485网络时，对于特定的传输线径，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据传输速率的函数，即最大长度受信号失真和噪声等因素制约。

在低速、短距离和无干扰的场合可以采用普通的双绞线，但在高速、长距离传输时，就必须采用阻抗匹配的RS-485专用电缆（匹配阻抗为120Ω）。在干扰严重的环境中应该采用铠装型屏蔽双绞电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485接口到负载允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比。理论上通信速率在100kbit／s及以下时，RS-485的最长传输距离达到1200m，但在实际应用中，这个最大距离会因芯片及电缆的传输特性不同而不同。

RS-485总线在TP网络物理层中的应用BACnet标准

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