RS-485总线在海气边界层观测系统中的应用

成方林，门雅彬，张翼飞

（国家海洋技术中心，天津 300112）

RS-485总线在海气边界层观测系统中的应用

成方林，门雅彬，张翼飞

（国家海洋技术中心，天津 300112）

文中介绍了RS-485总线在海气边界层观测系统的一个应用实例，包括RS-485总线的基本特性和MODBUS通信协议，重点对RS-485总线在系统中的应用架构及系统的高层通信协议的设计思路作了详细介绍。实际应用表明，系统采用RS-485总线通讯，具有易于安装维护、工作稳定、可靠的特点。

RS-485总线；Modbus；海气边界层；观测系统

海气边界层观测系统安装在观测铁塔上，其主要功能是对气温、相对湿度、风速和风向梯度进行观测。要求系统结构简单、安装维护方便并具有较强的可扩展性，可以根据铁塔高度灵活配置安装传感器层数。因此，传统的集中式系统结构难以满足实际应用，采用分布式系统结构则为最优选择。RS-485总线结构是目前分布式系统结构的代表之一。RS-485总线结构由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。

1 RS-485国际标准

RS-485标准最初是由电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布的串行数据接口标准，后由TIA（通讯工业协会）修订后命名为TIA/EIA-485-A。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀。RS-485是由RS-422发展而来，后者是为弥补RS232通信距离短、速率低的缺点而提出的。RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10 Mbps，传输距离延长到 1 219.2 m（4 000 ft）（速率低于 100 kbps时），并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为扩展应用范围，随后又为其增加了多点、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，这就是后来的EIA RS-485标准。

RS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS-485接口的主要特点如下：

●平衡传输；

●多点通信；

● 接收器输入门限：±200 mV；

●-7～12V总线共模范围；

● 最大输入电流：1.0～-0.8 mA（12～-7Vin）；

● 最大总线负载：32个单位负载（UL）；

● 最大传输速率：10 Mbps；

● 最大电缆长度：1 219.2 m（4 000 ft）。

图1为典型的RS 485两线网络图。RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信、它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。正因为此，许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路，例如汽车电子、电信设、工业控制、仪器仪表等等。

2 RS-485总线应用

RS-485支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。

图2 RS485常用错误网络拓扑结构

图3 RS485正确网络拓扑结构

图1 典型的RS485两线网络图

如图2所示a，b，c这三种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。图3为正确的网络拓扑结构图，采用一条总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

海气边界层监侧系统结构框图如图4所示。由于气温、相对湿度、风速和风向信号为模拟信号，不能直接连接到RS-485总线上，必须对信号进行A/D转换处理后才能进行数字通信，为此需要设计数据变送器。数据变送器的作用就是对气温、相对湿度、风速和风向信号进行采集处理（包括A/D转换），并通过RS-485总线与数据采集器进行通信。

海气边界层观测系统采用半双工通信方式，数据采集器做为主（master）设备，数据变送器作为从（slave）设备。在RS-485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个从设备处于发送状态并向总线发送数据，其他所有从设备都必须处于接收状态。如果有2个或2个以上从设备同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。数据采集器采用定时轮循的方式对各层数据进行采集，数据采集器和数据变送器命令和数据发送完毕后立刻转换为接收状态，以此解决总线冲突问题。

图4 海气边界层监测系统结构框图

RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户需要建立自己的高层通信协议。海气边界层观测系统中RS-485用户高层通信协议是数据变送器和数据采集器之间，数据采集器和数据接收处理计算机之间通信的标准。没有合理的RS-485用户高层通信协议，海气边界层观测系统就不能正常工作。

目前，应用在RS-485总线的最流行通信协议是Modbus协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测码。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和错误检测码。

为了对数据变送器进行区别，设置了相应的地址。数据采集时，数据采集器以轮循的方式通过RS-485总线发送数据采集命令给数据变送器。数据变送器收到命令后对命令进行分析，如果命令中的地址信息与本地地址一致，则进行相应响应，否则不予响应。数据采集器发送给数据变送器的数据采集命令格式为：命令起始标志（$）+命令类型+从设备地址+命令结束标志（crlf）。命令中没有奇偶校验的原因是为了方便人工系统调试。数据变送器的响应命令格式为：命令起始标志 （$）+命令类型+从设备地址+数据+奇偶校验+命令结束标志（crlf）。响应命令中加奇偶校验的目的是保证数据的准确性，防止通信时产生误码。数据采集器和数据接收处理计算机之间因为是点对点进行通信，因此命令中不需要加设备地址。命令类型包括原始数据发送、数据补录、校时、数据采集器设置等。

3 现场应用

2009年9月开始，海气边界层观测系统在现场进行安装运行。由于系统采用RS-485总线技术，与传统海气边界层观测系统产品相比，安装和调试方法更为简单。每一层的测量传感器和数据变送器可以自成系统、独立运行，在地面进行调试完毕后，可以让专业铁塔作业人员上塔安装即可，无须技术人员上塔进行接线和调试，从而解决了技术人员无法进行铁塔高空作业的难题。此外，由于RS-485总线支持远距离通信（4 000 ft），因此数据采集器和供电电源可以不安装在铁塔上，可以根据现场情况灵活选择安装位置，从而也可以大大提高系统的可维护性和可靠性。

图5为海气边界套监测系统现场安装的照片。图6为铁塔上每一层安装的传感器和变送器。从图中可以看出，铁塔上只安装了测量传感器和数据变送器，大大简化了系统的安装和维护工作。

图5 海气边界层监测系统现场安装图

图6 每一层安装的传感器和数据变送器图

4 结语

RS-485总线具有电路设计简单、软件设计方便、成本低等特点，是工业控制和测量领域应用最为广泛的网络之一。采用RS-485总线技术的海气边界层观测系统自2009年9月在现场安装并业务化运行至今，系统工作稳定、可靠，数据测量准确，得到了使用单位的高度肯定。

[1]B&B Electronics.RS-422 and RS-485 Application Note[M].2006：6-10.

[2]门雅彬,张齐,成方林,等.RS-485总线在海气边界层监测系统中的应用[J].电子产品世界，2009(1):37-38.

[3]邓志军，梁松峰.基于RS485接口Modbus协议的PLC多机通讯[J].微计算机信息，2010（08）：107-108.

[4]王飞，吴茂.基于RS485总线的智能型自动重合闸的设计[J].电力系统保护与控制，2010（01）：100-101，106.

[5]余旺新.RS485远程通信电路系统设计[J].科技信息，2009（10）：227-228.

[6]周建章，赵颖.基于RS-485主从通信协议的改进[J].测试测量技术，2011（01）：23-25.

Application of the RS-485 Bus in Air-sea Boundary Region Observation System

CHENG Fang-lin,MEN Ya-bin,ZHANG Yi-fei
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The application of RS-485 bus in the air-sea boundary layer observing system is introduced，including the basic characteristics of RS-485 bus and the MODBUS communication protocol.The RS-485 bus application architecture in the system and the design idea about high level communication protocol of the system are introduced in detail.Practical application shows that when using the RS-485 bus,the system has such characteristics as easy to be installed and maintained,reliable and stable working.

RS-485;bus;Modbus;air-sea boundary layer;observation system

P715

B

1003-2029（2011）03-0025-04

2010-12-09

国家海洋防灾减灾专项支持项目。