RS 485总线型网络及其在船舶中的应用

徐振华

（上海远洋运输有限公司，上海 200090）

1 RS 485通信接口规范

在数据通信、计算机网络以及工业领域的分布式监控系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，包括 RS 232、RS 422 和 RS 485 等［1］。 RS 232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。RS 485（即EIA/TIA 485）是由RS 232C接口技术发展而来的数字通信接口,其显著优点是两线制，无需进行电平转换,接收与发射自动切换,带负载能力强，而且非常方便用于多点互连，节省大量信号线。RS 485还满足所有RS 422的要求，而且比RS 422稳定性更强，其采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高灵敏度，故信号的传输能达到千米以外。RS 485采用差分信号负逻辑，驱动器输出电压在±2 V(最小值)～±6 V(最大值)之间，+2 V～+6 V 表示“0”，－6 V～－2 V 表示“1”，接收器输入灵敏度为±200 mV，即接收端电压必须高于+200 mV或低于－200 mV，最小接收器输入阻抗为12 kΩ。图1中的收发器电路即为RS 485接口电路［2］。

另外，由于PC机默认的只带有RS 232接口，在RS 485设备需要与PC上位机进行通信时可以通过RS 232/RS 485转换电路将PC机串口RS 232信号转换成RS 485信号，还可以通过PCI多串口卡来直接使用输出信号为RS 485类型的扩展卡。

2 RS 485总线型网络

2.1 网络架构

图1 RS 485总线型网络

将多个RS 485设备（收发器）挂接在同一根总线上，即构成RS 485总线型分布式数据采集系统。其允许连接最多32台RS 485设备（收发器）。在网络中每个RS 485设备都是一个节点，所有节点共享一根总线［3］。其简单电路示意如图1所示。

在图1中，信号驱动器输出端将输出信号UAB放置到总线上，信号的表现形式可为3种状态：逻辑1、逻辑0及三态（或称为髙阻状态），信号接收器检测总线上的信号，并进行差分输入。如果差分输入信号大于200 mV，则其输出一特定逻辑状态；反之，如果差分输入信号小于-200 mV，则输出相反的逻辑状态。收发器的发送线连接到接收线以便在单一线对（总线）上发送和接收信号，但不能同时进行信号的接收和发送，控制发送和接收的重要手段就是图中的 “ENABLE”使能信号。当驱动器上的“ENABLE”控制信号为“ON”时，则将驱动器接入网络使其投入工作，否则，驱动器呈现三态（髙阻状态），其结果将使驱动器从总线上脱离，以允许其他节点在同一线对上传输数据。

2.2 总线电缆

RS 485总线电缆可以使用所有类型的双绞线电缆，但在船舶的实际应用中，考虑到恶劣的电磁环境和较长的传输距离，一般多采用特性阻抗为120 Ω的铠装型双绞屏蔽电缆。在系统中除传输线对外，还具有信号地线，其是为了将接收器侧的公共模电压Vcm维持在安全范围内。如果信号地的连接有问题，接口电路可能会正常工作，但也可能会存在可靠性和噪声方面的问题。

另外，也可以采用光纤作为信号传输介质，在收发两端各加一个光电转换器，但目前商船上的应用非常少见。

2.3 终端阻抗匹配

在总线网络中，如果信号源、传输线和负载的阻抗配合不当，总线上的信号不能被负载完全吸收，一部分信号传输到总线线缆末端后会被反射回来，为使总线上各节点能正确读取总线电平，需要避免信号的反射。消除信号反射的方法就是使信号源、传输线和负载达到阻抗匹配。RS 485的阻抗匹配在总线电缆的开始和末端进行，因为大多数双绞线电缆的特性阻抗在100～120 Ω间，故总线两端分别端接的终端匹配电阻多为120 Ω。另外还有一种阻抗匹配方式是RC匹配，其利用一只电容C隔断直流分量可以节省驱动器大部分功率，但电容C很难取值，在船舶上的应用也不多见。

2.4 中继器的使用

在实际应用中，为了克服单根总线允许连接的负载不多于32个设备的限制，一般会使用中继器。中继器将总线分割成两个实际上独立的物理总线段，网络上的信号通过中继器予以刷新，每次刷新过的信号均可以再次传送1200 m或驱动其他31个RS 485负载，但在逻辑上仍然只是一个总线系统。

2.5 网络协议和运行

RS 485是一种硬件规范，对应于七层OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型的物理层，因此，为了能使具体的命令、数据在网络上正确地传输并在上位机上进行处理，必须提供数据链路层和应用层的网络协议软件，其中数据链路层协议软件实现建立、维持和拆除链路连接，实现无差错传输的功能，保证在物理层的比特流出现错误时进行检测和校正，同时实现生成数据帧和命令帧的功能；应用层协议软件针对不同的应用，利用链路层提供的服务，完成不同通信节点之间的通信。

3 RS 485总线型网络在船舶上的应用实例

RS 485总线型网络非常适用于传输速度要求不高的分布式数据采集，例如船舶各导航设备的数据集中采集、机舱监测数据的集中采集以及集装箱船上冷藏箱工况的监视等。下面以YMC（YORK MARINE CONTROL）公司生产的REFCON PCT型冷藏箱监控系统为例作进一步阐述，其系统结构示意如图2所示。

3.1 系统运行机制

图2 PCT型冷藏箱监控系统

图2中，系统的PCT子站安装在冷藏箱440 V动力配电箱中，其核心部件即是RMM MASTER MODEM （远程监视电缆调制解调器）。各RMM MASTER均通过动力电缆与该配电箱供电的每个冷藏箱内的RMM SLAVE进行通信以获取冷藏箱运行数据，在PC主机的请求下通过RS 485网络将获取的冷藏箱运行数据送至PC进行处理。

将图1与图2进行比较可以看出，图2中的RMM MASTER MODEM即是一种RS 485设备，也就是说图1中的收发器电路内置于RMM中，因此，图1和图2在物理架构上是基本一致的。图2中的RS 485网络中，一系列PCT子站均连接在一对屏蔽双绞线上，RS 232/485转换器将来自于PC的RS 232信号转换为RS 485信号送至双绞线上，在网络的两端即第1个PCT子站和RS 232/485转换器处均安装了端接电阻TE以对网络进行端接来达到特性阻抗匹配的目的。网络中的所有RS 485设备包括10个PCT子站和RS 232/485转换器均需设置硬件地址，PC根据各节点的硬件地址控制网络中的数据发送和接收。该系统中的PC机作为主机，各PCT子站作为从机，采用主从方式进行多节点通信，每个PCT子站各自拥有固定的地址，由PC主机控制完成网上的每一次通信。PC主机发出的信息分为地址和数据，通信开始前，所有的PCT子站置于复位状态，监听PC主机的地址呼叫。这时的PCT子站只对地址敏感，对数据不予理睬。如果有地址呼叫，则中断所有的PCT子站，每个PCT子站都把接收到的呼叫地址和本机地址相比较，如果相符，则该PCT子站开始接收数据帧，其他PCT子站则保持不变，继续监听地址呼叫，完成接收后的PCT子站将自动转入复位状态。

3.2 系统管理需要重视的问题

RS 485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障。

在船舶实践中，对线路的检查通常只注意到双绞线各个接口的“A”、“B”端或“+”、“-”端子（一般“-”端对应 “A”，“+”端对应 “B”）是否连接起来，而网络信号地的互连很容易被忽视，有些情况下系统是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患。如果信号地未连接或连接不良，可能会有很大幅度如十几伏甚至上百伏，且可能伴有强干扰（快速波动），致使接收器共模输入超出正常范围并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。另一方面，发送器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），其就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波，造成很大的电磁干扰。

PCT子站发生故障导致网络出现问题的机会也比较多，在RMM MASTER MODEM上有些LED指示灯可以帮助判断其工作是否正常，有时按下复位按钮就会轻松解决问题。如不能确定的话，可将可疑站点断电并从网络脱开，使用欧姆表测量接收端“A”与“B”或“+”与“-”间的电阻值，故障站点的读数通常小于200 Ω，非故障节点的读数则会比4000 Ω大得多。

4 结语

目前，大多数营运船舶上安装有多个智能化子系统，但由于历史的原因，各系统相互独立，数据不能集中使用。随着船队管理水平的提高，要求将所有子系统采集的数据集中起来进行统一管理和分析，甚至在需要时可以随时发送到岸。RS 485总线型网络就是一个很经济、便捷而可靠的解决方案。另一方面，因其技术比较简单、方便、成本较低，硬件电路非常成熟，很多厂家通过将RS 485网络扩展到数据链路层来开发自己专门的现场总线，现在很多新型的现场总线型机舱集中监控系统就是采取这样的方式。

［1］阎石.数字电子技术基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］范越，徐凯，刘玉华.基于RS 485总线的自动化检测系统的研制［J］.现代电子技术，2008（5）：142-144.

［3］虞日跃，史洪源.RS 485 总线的理论与实践［J］.电子技术应用，2001（11）：55-57.