DDC 通讯故障分析

陈寅生 （中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120）

工程中的自动控制系统由于控制点分散，点与点之间距离较远，不易采用电缆传输的集中控制方式，因此大量采用分散控制方式。为了传递数据，控制器与主机之间主要采用RS-485通讯方式。这种通讯方式具有接线简单和通讯距离远的优点。它在波特率为9600Baud时，不加中继的最大传输距离为1200m，因此该通讯方式在工程中得到广泛的应用，绝大部分现场总线都是基于RS-485的通讯方式。

1 RS-485工作原理

RS-485是工程中最常用的一种通讯标准，它是RS-422通讯标准的扩展，它的信号传输有两线制和四线制两种方式，通常采用前者。这种接线方式为总线式结构，在同一总线上一般可以连接32个节点或64个节点（根据通讯芯片的承载能力决定）。对于采用高驱动能力芯片的设备，一条链路理论上最多可以连接到128个节点。

RS-485通讯采用差动信号传输工作方式，当通讯芯片的A、B两端接收到的信号VA、VB在0.2V﹤VA-VB﹤6V时，表示数字电路的一种逻辑状态；-6V﹤VA-VB﹤-0.2V时，表示数字电路的另一种逻辑状态；-0.2V﹤VA-VB﹤0.2V时为空闲状态。

一般情况下，一个最基本的RS-485通讯字节由11位组成，包括1位起始位，8位数据位，1位校验位和1位停止位。一个通讯数据包由多个通讯字节组成，它通常包括特征码、地址、命令及数据等。虽然各设备生产商所采用的通讯协议不同，但是其基本架构都是由以上参数所组成的。

RS-485通信采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机或一个主机带多个局域控制器。连接RS-485通信链路时，只是简单地用一对双绞线将主机和各从机或控制器进行连接，即将所有通讯接口的“A”、“B”端相对应连接。由于它所采用的是差动信号传输方式，所以可以省略信号地的连接。这种连接方法在一般情况下不会出现大的工作问题，但是这种通讯方式存在共模干扰的危险。RS-485接口采用差动方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差即可。但是有一定的共模电压（即传输信号对通讯芯片供电参照点即信号地的电压）范围限制，这个共模电压范围是-7V～+12V，只有满足条件，通讯电路才能正常工作。当电路中共模电压超出这个范围时，会影响通信的稳定性；严重超出范围，会损坏接口电路和通讯芯片。

1.1 线路连接

RS-485通讯的正确连接方式如图1所示；连接不得出现分支，否则，在分支点上由于电缆本身所具有特性阻抗，会出现阻抗突变，如图2所示。信号在传输过程中，遇到阻抗突变，会产生信号反射。一旦反射波与源波叠加，会产生误码，影响通讯质量。通常情况下，考虑到通讯速度和传输距离，RS-485的通讯速率设置在9600Baud，最大有效传输距离1200m，特性阻抗大约在120Ω左右；有些产品的通讯速率可达到19200Baud，在这种情况下它的有效传输距离将要缩短；当实际传输距离超出有效通讯范围要求时，需要在线路中增加中继器。

图1 RS-485通讯线路正确连接方式

图2 RS-485通讯线路错误连接方式

为了减少信号反射问题，RS-485的一条通讯线路上不允许出现分支，且在一条链路的终端需跨接90Ω～120Ω匹配电阻，为了尽可能的减轻通讯负载，工程上通常匹配120Ω的电阻；由于RS-485通讯方式为双向传输，所以匹配电阻需加载在整条链路的两端。

对于距离小于200m的传输线路，由于线间电容和线路电感较小，信号波形畸变不大，所以不会对通讯质量造成大的影响，通常省略了匹配电阻。但是对于超过200m的通讯线路，线路的参数是不能忽视的，在增加了匹配电阻后，由于负载增加，一条链路所带终端数必然要减少，否则会因为驱动能力不够而使整条链路无法工作。超过有效传输距离的RS-485通讯线路，则需要在线路中增加“中继器”。由于链路是在中继器处断开，因此到中继器的入口处，是一条链路的终端，它的出口是另一条链路的起始端。这种情况下，在中继器的两端都需匹配120Ω的终端电阻。

从理论上分析，在链路终端跨接与电缆特征阻抗一致的电阻，可以消除信号反射。实际工程中，由于采用的电缆的长度、截面和绝缘材料等有所不同，其特征阻抗也会有所不同。虽然理论上讲，终端匹配电阻应该与电缆的特征阻抗一致，才能将反射信号降至最低，但是工程上不可能做到完全一致。由于电缆的特征电阻是线间电容和线路电感平方根函数，因此，即使采用不同品牌、不同截面的电缆，其特征电阻也不会有太大差别，所以工程上通常采用跨接120Ω匹配电阻。

1.2 屏蔽接地

通讯线路的屏蔽层需要接地是众所周知的，但是往往很多通讯故障都是由于屏蔽层的接地不正确所引起的。为了减少对通讯的干扰，通讯线通常采用屏蔽双绞线，但是屏蔽层的接地正确与否，会影响到通讯质量的好坏，错误的接地方式甚至会造成通讯电路的损坏。

通常采用的DDC设备，为了防止外部通讯线路的干扰信号影响到MCU的正常运行，控制电路和通讯电路之间往往采用光电隔离技术。通讯侧电路与设备内部控制电路经过光电耦合器传输信号，没有导线的直接连接，从而避免外界信号的电平过高或强干扰影响到内部控制电路。这种电路中所设置的通讯线屏蔽层接线端子通常是与通讯芯片供电电源的公共端（通讯信号地）连接，如图3所示。

从 图3分 析，两 台DDC距离较近且周边没有电磁场干扰的情况下，将通讯电缆的屏蔽层两端分别接到两台设备的屏蔽层接线端子，仅仅是将两台设备的通讯端电源公共端连接在一起，形成了等电位连接，不会影响通讯质量。但是这种连接方式是有前提条件的，美国TI公司提供的技术资料指出：“这种连接方式仅限于：设备的通讯电路与控制电路必须是隔离的，包括为这些电路所提供的电源也必须是隔离的，且没有与局域地线、PE线连接。这就是说，每台设备的通讯地是浮动的，它的通讯电路与其他任何控制电路不发生任何线路连接时，才可以采用这种方式。”

但是在工程中，产品供应商并不提供产品原理图，一般情况下，我们也无法了解内部电路结构，所以工程中这种连接方式危险性很大。

从另一角度讲，实际工作情况并非理想状态，通常情况下，DDC周边会有很多电气设备，这些设备的启动、运行时都会对通讯设备造成干扰。如果将通讯线的屏蔽层两端分别连接到两台设备通讯端的通讯地线上，便会使两台设备之间形成回路，造成通信号共模电压发生变化。

假定外界干扰信号电压为VD，通讯芯片接收A、B两端所收到的信号即使不受到任何干扰，它的传输电压没有发生任何变化，但是它们各自对公共端的电压则发生了变化，此时A点对通讯地的电压 = VA+ VD；B点对通讯地的电压= VB+ VD。

图3 常用DDC通讯结构

图4 瞬间电压抑制保护电路结构

当干扰信号电压VD在正常的共模电压允许范围内，不会对通讯电路造成损坏，但是会造成误码率增加，使得通讯指令或数据反复传送，影响通讯质量，其结果是实际发生的通讯时间超过正常标准通讯时间。

当干扰信号电压VD超出正常的共模电压范围，便会使得通讯电路无法工作，通讯失败，不能通讯。

当干扰信号电压VD超出通讯电路保护电压范围，则会击穿通讯电路中用于保护的瞬间抑制二极管（见图4），甚至击穿通讯芯片，造成通讯电路损坏。

2 故障分析

工程中有时会遇到这样一种情况：将通讯线屏蔽层的一端接通讯端子，另一端接PE。有人认为这完全满足单端接地的要求，这种想法是因为对通讯电路不了解所产生的。从图3我们可以看到，如果将屏蔽层在Groud1处断开，接PE1，便使得Groud2与PE1连接；通过建筑物的PE线与PE2连接，使得隔离电源两端短路，造成隔离电源起不到隔离作用，使控制电路与通讯电路的隔离完全失效。只要一条链路上有一处出现这种问题，通过通讯芯片的A、B端，将造成所有在这条链路上的DDC的隔离功能失效。

这样连接的危害是非常大的，由于PE线上的干扰电压不但会造成共模电压大大超过范围和通讯电路击穿，还会造成通讯电路隔离电源公共端与DDC设备地线间用于保护的瞬间抑制二极管击穿。尤其是在TN-C的接地系统中，一旦接地系统发生故障，便会造成大面积的DDC损坏。

因此，具有“通讯地”专用端子的设备，通讯线的屏蔽层一端应与该端子连接，或者与PE线连接，不能跨接两个“地”。另外，屏蔽层的另一端不能与任何导体碰触，否则，会出现通讯异常，甚至会发生更加严重的情况。通常情况下，应将通讯线的屏蔽层接“通讯地”专用端子，对没有设置“通讯地”专用端子的设备，可将通讯线的屏蔽层接设备外壳或PE线。

以下是工程中常遇到的通讯故障情况：

1）通讯时间过长

这种情况通常是通讯线路质量、布线或线路干扰所产生的。由于线间电容的影响造成波形畸变，或者是外界干扰使得通讯误码率增加，校验不正确，迫使通讯多次重复。

2）打雷后通讯中断

如果是通讯线的屏蔽层直接连接到设备外壳或PE线，雷电发生时，造成PE线上瞬间电压无法迅速释放，引起的地电位瞬间升高，击穿瞬间抑制二极管和通讯芯片所致。

3）无法通讯

这种情况，大部分是由于接线错误所造成的。如前所述，通讯线的屏蔽层一端接设备的“通讯地”专用端子，屏蔽层的另一端接PE所致，造成与通讯电路相关的、用于保护的瞬间抑制二极管击穿以及通讯芯片击穿。

4）其他情况

在高湿、低温等特殊气候条件下，芯片工作性能发生变化，驱动能力不足致使通讯不正常。一般来说，工程中一条链路所带DDC设备不应超过芯片承载能力的70%，如设备标出的通讯能力为32个，在工程上实际安装数量不超过21个时为可靠状态；如果实际数量超过21个，应选择驱动能力强的设备，或另外增加一条通讯链路。

3 结束语

通讯故障在每一个工程中都有可能发生，由于每个工程采用的设备、材料和工程现场都不相同，产生的原因也会有所差异。有些明显故障只要认真检查可以直观发现，有些隐性故障则不容易被发现；有时是单项原因，有时是综合原因。通讯故障虽然不会造成重大经济损失，但是会影响控制系统的正常运行，其危害是不容忽视的。因此需要对每一种情况进行具体分析，才能得出正确结论，彻底排除故障。

[1]B&B Electronics Manufacturing Company.RS-422 and RS-485 Application Note[EB/OL].www.bb-elec.com.

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