弹上RS485总线通讯质量研究*

崔玉江，邵云峰，乔道鹏

(北京电子工程总体研究所，北京　100854)



测试、发控技术

弹上RS485总线通讯质量研究*

崔玉江，邵云峰，乔道鹏

(北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：RS485总线因其电路简单、抗干扰能力强等优点广泛应用于导弹型号，随着导弹性能的提升，对弹上总线通讯的可靠性提出了更高要求。结合RS485总线在导弹型号的应用情况，制作了不同拓扑结构的总线电缆，进行了总线通讯特性研究，分析了影响弹上RS485总线通讯质量的因素，结合试验研究，提出了提高弹上RS485总线通讯质量的方法。

关键词：弹上；RS485总线；通讯质量；总线匹配；误码；可靠性

0引言

RS485总线在导弹弹上信息交互中起着至关重要的作用，随着导弹低成本、低功耗、高装填密度、轻小型化、精确制导和精确高效杀伤等技术的发展，弹上设备组成越来越复杂，信息交互频率和实时性要求越来越高，交互的数据量越来越大，而弹上RS485总线面临的环境越来越复杂，型号研制中经常出现总线通讯丢帧和误码等情况，也曾因此导致过飞行试验失败，因此弹上总线的通讯质量关乎着导弹飞行成败，其重要性日益凸现。

1RS485总线在导弹的应用

RS485是一种串行数据接口标准，由电子工业协会(electronics industry association,EIA)制订并发布的，它是在RS422基础上制定的标准。RS485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器驱动总线[1-2]，RS485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，在此基础上用户可以建立自己的高层通讯协议[3]。因而，RS485总线在弹上得到了广泛的应用。采用RS485串行总线的弹上实时信息处理系统的结构框图如图1所示。

图1　弹上RS485总线通讯示意图Fig.1　RS485 bus communication in missile

导引头、惯性测量组合、主控计算机、应答机、电气控制装置等设备通过RS485串行总线进行连接。弹上主控计算机为主站，其它设备为从站，主站负责整个网络，并调度和管理其它从站设备进行工作。

主站可以选择任意一个从站进行通讯，构成通讯的双方。选中的从站既可以接收来自主站的信息，也可以向主站发送信息，从而构成弹上RS485总线的通讯过程。

由于EIA未给出RS485总线的具体实现方法，在弹上总线线缆的实现方面，存在若干影响信号传输的因素，其中，总线拓扑结构和总线匹配是较为重要的影响因素之一。

2弹上总线通讯特性研究

2.1总线拓扑结构

总线连接方式分为串联总线型和分支总线型两种拓扑结构，根据工艺和连接方式的不同，对应的总线通讯电缆分别称为拉手式和绕焊式，如图2所示。目前，这2种方式在弹上都有所应用。

分别用SZE系列导线制作了拉手式、绕焊式总线电缆，用KD24系列导线制作了拉手式总线电缆,电缆长度均为1.5 m，在总线的2个终端分别连接100 Ω匹配电阻。不同总线拓扑结构的弹上设备连接关系如图3所示。

图2　RS485总线连接方式示意图Fig.2　Connection type of RS485 bus

图3　不同总线拓扑结构下各设备连接关系图Fig.3　Equipment connection with different topology bus structures

用示波器采集上述不同连接方式下的总线通讯波形，采集的波形如图4所示，从通讯波形图中可以看出，同样用SZE导线制作的总线电缆，拉手式较绕焊式总线电缆的通讯波形稍好一些，即串联型总线较分支型总线的通讯质量要高。

2.2总线匹配分析

将SZE导线制作的拉手式总线电缆和KD24导线制作的拉手式总线电缆进行总线匹配分析。利用阻抗分析仪，在电缆的其中一个终端节点处测量2种电缆的特性阻抗，测试结果为：SZE拉手式总线电缆特性阻抗为45 Ω，KD24拉手式总线电缆特性阻抗为113 Ω。测试结果均与厂家标称值相当。

分别用SZE拉手式总线电缆和KD24拉手式总线电缆将弹上各设备连接，组成串联型总线结构，用示波器分别采集总线通讯波形，如图5所示。可见KD24导线制作的拉手式总线电缆的通讯波形要明显优于SZE导线制作的拉手式总线电缆。

KD24型导线制作的总线电缆，搭配100Ω的终端匹配电阻，总线的特性阻抗相当，因而总线通讯质量更佳。因此，为减小高速传输信号的反射，应保证通讯通道的阻抗连续性，即终端电阻的阻值、电缆的特性阻抗应匹配，这样更有利于通讯质量的改善。

3RS485总线通讯质量影响因素分析

3.1误码率影响

弹上RS485总线通讯就是通过弹上总线进行数据交换(以0,1形式表示)的过程。对于二进制数字信号误码的定义为：发送“1”，接收“0”，或者发送“0”，接收“1”，即为发生了比特错误，称之为误码，误码率(BER)就是出现误码的概率。在RS485总线中，误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数，是反映数据传输设备质量和信道工作质量的一个重要指标[4]。当弹上RS485总线出现误码时，会影响弹上信息传递，甚至会出现错误的逻辑，从而影响导弹的飞行。一般来说，弹上RS485总线的误码率优于10-7。弹上总线拓扑结构不合理、总线阻抗不匹配都会导致误码的出现。

某型号在综合测试时，经常会出现通讯错误，经测试误码率为2×10-5，后将总线电缆更改为拉手串联总线并进行了特性阻抗匹配，匹配电阻115Ω，用误码率测试仪进行了2 h的测试，未出现误码，即误码率基本为0，将该总线电缆应用于弹上，测试正常，不再出现通讯错误。

图4　总线电缆通讯实测波形图Fig.4　Communication waving chart of bus cable

图5　总线电缆通讯实测波形图Fig.5　Communication waving chart of bus cable

3.2总线信号反射影响

在RS485总线通讯过程中，阻抗不连续和阻抗不匹配会导致信号反射[5]。传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的存在阻抗不连续引起的反射。

信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误[6]。信号反射会使弹上总线通讯信号形成过冲，导致信号波形在逻辑门限附近波动。信号在跳变的过程中可能跨越逻辑电平门限，多次跨越逻辑电平门限则会导致逻辑功能紊乱，从而导致总线通讯质量的下降。

3.3码间串扰

RS485总线通讯中，设备器件及滤波等会使脉冲拖宽,并重叠到邻近的时隙中去。当总线接收端的各点进行抽样时,以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决,恢复出原脉冲的消息，若重叠到邻接时隙内的信号太强，可能发生错误的判断[7]。若相邻的脉冲的拖尾相加超过判决门限,则会使发送的“0”判断为“1”。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加,这种脉冲重叠并在接收端造成判决困难的现象叫做码间串扰。码间串扰的示意图如图6所示。

图6　码间串扰示意图Fig.6　Symbol interference

码间串扰主要是由噪声和传输特性不良引起的，它会使总线通讯质量下降，造成数据判读错误。

3.4其他噪声影响

弹上RS485采用差分方式传输信号，收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7～+12 V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围就会影响通讯质量，直至损坏接口。

如图7所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于2个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD，接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS485标准规定VOS≤3 V，但VGPD可能会有很大的幅度(十几伏甚至数十伏)，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在信号线上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏接口[8]。

图7　地电位差导致共模干扰Fig.7　Common mode interference reflecting by ground potential difference

此外，RS485总线通讯还会受到弹上复杂的电磁环境的干扰，信号会经受不同噪声的影响，这些都会对弹上正常通讯产生影响。

4提高弹上RS485总线通讯质量方法及建议

4.1RS485总线的拓扑结构选择

RS485支持32个节点，为多节点构成网络。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[9-10]。在构建网络时，应采用双绞线电缆，将各个节点串接起来。图8所示为实际应用中常见的一些错误连接方式(a)，b)，c))和正确的连接方式(d)，e)，f))。由上述的SZE串接总线电缆(图8c))和SZE分支总线电缆(图8f)的通讯质量便可得到验证。

图8　RS485总线的拓扑结构Fig.8　Topological structure of RS485 bus

目前，在弹上RS485总线结构中，采用的总线拓扑方式不尽相同，其中a)，b)，c)拓扑方式会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，容易形成码间串扰和误码，因而造成信号质量下降，从而会影响弹上RS485总线通讯的可靠性。

因此，对于弹上RS485总线应尽量采用图8中d)，e)，f)所示的串接型拓扑结构，从而减少误码率和码间串扰的影响。

4.2总线匹配设计

减小总线信号反射的主要途径就是在RS485总线的2个终端跨接电阻进行终端匹配[11]，目前RS485总线的匹配电阻一般为100～120 Ω。如图9所示的电阻R7。

图9　弹上RS485总线接口电路示意图Fig.9　RS485 bus interface circuit in missile

在实际应用中，虽然弹上统一要求各个设备的接口一致，但总线电缆的长度、电缆所用导线牌号及总线传输的速率不尽相同。在弹上RS485总线长度变化不大、传输速率相差不大的情况下，总线电缆所用导线牌号，即总线电缆的特性阻抗成为影响弹上RS485总线通讯质量的关键因素。

根据总线通讯反射理论，当总线电缆特性阻抗与终端电阻阻抗完全相等时，可有效的消除信号反射。因此，在进行弹上RS485总线电阻匹配时，应该根据采用的总线电缆的特性阻抗选取合适的电阻进行匹配，即在弹上总线的2个通讯终端尽量选用阻值与总线电缆特性阻抗数值相等或接近的电阻。

4.3总线接地设计

RS485总线驱动器输出信号中的干扰需要一个返回通路，如果没有一个低阻的返回通道(信号地),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[12]。从而影响整个弹上通讯网络的稳定性，整个导弹的电磁兼容性就会受到影响。

为了有效的抑制弹上总线的电磁辐射对整个系统的影响，弹上RS485总线通讯电缆屏蔽层应采用双端接地方式，即在总线各个设备的接口处将双绞线的屏蔽层接到总线连接器的接地点。采用总线接地方式，同样可以避免弹上其他电磁辐射对RS485总线通讯的影响。

4.4总线稳定输出保护

RS485标准规定了接收器门限为±200 mV[13]，具有比较高的噪声抑制能力。但由于弹上主控计算机在发送端发完一个信息数据后，会将总线置于高阻态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使总线通讯正负之间的电压在-200～+200 mV直至趋于0 V，这就导致接收器输出状态不确定[14]。此时，弹上RS485总线的其他设备会误认为是一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，将不再有设备请求总线，总线有可能陷于瘫痪状态。

除上述的总线空闲会造成两线电压差低于200 mV的情况外，总线开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措施避免接收器处于不确定状态[15]。

在弹上RS485总线通讯中通常是在总线上加偏置电阻，使得总线空闲或开路时，也能有一个确定的状态(差分电压≥-200 mV)。如上文图9所示的电阻R4，R5，偏置电阻将总线负端下拉到地，将正端上拉到+5 V，偏置电阻的典型值是1 k，具体数值随弹上总线通讯电缆电容的不同而有所差别。

5结束语

本文结合RS485总线在导弹的应用，制作了不同拓扑结构的总线通讯电缆，进行了总线通讯特性研究，分析了影响弹上RS485总线通讯质量的因素，并分别从总线拓扑网络、总线匹配、总线接地、总线稳定输出等方面进行了分析和设计，提出了提高弹上RS485总线通讯质量的方法。在实际型号应用中，还应注意总线通讯的5V地与弹上各设备的电源地、机壳隔离等措施，确保弹上RS485总线通讯的可靠性。

参考文献：

[1]吴晨. RS-232与RS-485接口的技术探讨[J]. 计量与测试技术，2008,35(10):1-3.

WU Chen. RS-232 and RS-485 Interface Technology[J]. Metrology & Measurement Technique，2008,35(10)：1-3.

[2]王丽萍，刘永强，赵富强.电气装置中485电路及其可靠性设计[J]. 微计算机信息，2009,25(1-2)：274-276.

WANG Li-ping, LIU Yong-qiang, ZHAO Fu-qiang. Reliability Design of the RS-485 Used in Electrical Installation[J]. Microcomputer Information, 2009,25(1-2)：274-276.

[3]杨庆柏.现场总线技术[M].北京:国防工业出版社, 2005:25-28.

YANG Qing-bai. The Process Field Bus Technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2005:25-28.

[4]朱晓林. 基于FPGA的误码率测试仪设计[D].北京：北京邮电大学，2010:5-8.

ZHU Xiao-lin. Bit Error Rate Tester Based on FPGA[D]. Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2010:5-8.

[5]王喜祥，赵宴辉，廉成强. RS485串行总线可靠性探讨[J].舰船防化，2011(2):29-32.

WANG Xi-xiang, ZHAO Yan-hui, LIAN Cheng-qiang. Research on Reliability of RS485 Serial Bus[J]. Chemical Defence on Ships, 2011(2)：29-32.

[6]马耿，张军，贾丙帅. 测控系统的RS485总线研究[J]. 济南大学学报：自然科学版，2004,18(4)：328-331.

MA Geng, ZHANG Jun, JIA Bing-shuai. Research on the RS485 Bus of Supervisory Control System[J]. Journal of Jinan University：Natural Science ed, 2004,18(4)：328-331.

[7]陈素然，张剑庆. 数字信号传输与码间串扰[J]. 长江大学学报，2006,3(2)：553-555.

CHEN Su-ran, ZHANG Jian-qing. Transmission and Intersymbol Interference Of Digital Signal[J]. Journal of Yangtze University , 2006,3(2)：553-555.

[8]于月森，叶王庆. RS-485总线可靠性应用研究[J]. 微计算机信息，2007,23(8-2)：274-276.

YU Yue-sen, YE Wang-qing. Applied Research on the Reliability of RS-485 Bus[J]. Microcomputer Information, 2007,23(8-2)：274-276.

[9]程凯，孙克怡，曹伟. RS-485总线理论的应用与分析[J]. 青岛海洋大学学报，2003,33(5)：753-758.

CHENG Kai, SUN Ke-yi, CAO Wei. The Theory and Application Analysis of RS-485[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 2003,33(5)：753-758.

[10]张道德，张铮，杨光友. RS-485总线抗干扰的研究[J]. 湖北工业大学学报，2005，20(3):137-140.

ZHANG Dao-de, ZHANG Zheng, YANG Guang-you. Research on Anti Interference of RS-485 Bus[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2005,20(3):137-140.

[11]刘文怡，李进武.基于RS485总线多机通信系统可靠性的研究[J]. 弹箭与制导学报，2005,25(3):102-105.

LIU Wen-yi, LI Jin-wu. The Research of Reliability of Multi-computer Communication System Via RS485 Bus[J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2005,25(3):102-105.

[12]史兴安，姜智忠. RS-485串行总线在实时控制中的应用[J]. 微电子学与计算机，2001(2)：49-51.

SHI Xing-an, JIANG Zhi-zhong. Application of RS-485 Serial-Bus in Realtime Controlled System[J]. Microelectronics & Computer, 2001(2)：49-51.

[13]许燕萍，杨代华. RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技，2009,22(2)：8-10.

XU Yan-ping, YANG Dai-hua. Analysis of the Reliability of Bus RS485[J]. Electronic Sci&Tech, 2009,22(2)：8-10.

[14]张欣，李爱军，单鹏. RS485电路的匹配和保护性设计研究[J]. 航空计算技术，2007，37(5)：80-83.

ZHANG Xin, LI Ai-jun, SHAN Peng. Design and Research on RS485 Matching and Protection Approaches[J]. Aeronautical Computing Technique, 2007, 37(5)：80-83.

[15]崔三俊，李成海，徐欣中. RS-485总线短路故障检测技术研究[J]. 计算机工程与科学，2010,32(12)：149-152.

CUI San-jun, LI Cheng-hai, XU Xin-zhong. A Study of the RS-485 Serial Bus Short Circuit Failure Detection Technique[J]. Computer Engineering&Science, 2010,32(12)：149-152.

Communication Quality of Missile RS485 Data Bus

CUI Yu-jiang, SHAO Yun-feng, QIAO Dao-peng

(Beijing Inst. of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Abstract:RS485 Data Bus has been used widely in missile because of its advantages with ordinary circuitry and powerful antijamming ability. Higher requirements are put forward on reliability of data bus with the increasing performance of missile. Different bus cables are manufactured combined with its use in missile, and communication characteristics are studied. The factors which influence the communication quality of RS485 data bus are analyzed, measures which can improve the communication quality of missile RS485 data bus are proposed according to the experimentation result.

Key words:missile; RS485 data bus; communication quality; bus matching; bit error;reliability

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-08

基金项目：有

作者简介：崔玉江(1979-)，男，山东青州人。高工，硕士，研究方向为弹上电气系统设计与试验技术。

通信地址：100854北京市142信箱30分箱E-mail：cyj801@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.033

中图分类号：TN919

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0209-06