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RS485和CAN總線布線規(guī)則及常見問題解答
發(fā)布時(shí)間:2023-09-11 10:42 瀏覽次數(shù):11017

 德陽四星電子技術(shù)有限公司

關(guān)鍵詞:RS485布線、CAN布線、RS485終端電阻、RS485支線問題、RS485接口隔離

 

1、概述

筆者結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),與廣大同行討論一番關(guān)于RS485和CAN總線布線工程中的一些常見問題。本文討論的內(nèi)容適合基于這些物理接口的各種底層和上層協(xié)議總線,如RS485、PROFIBUS、PPI、MPI、MODBUS、MODBUS+、CC-Link……;CAN、CAN FD、DeviceNet、CANopen、SDS、NMEA2000、 SAE J1939、SAE J2284 等。

眾所周知,RS485和CAN是一種采用雙絞線(特性阻抗為120歐姆)傳輸?shù)摹?strong>手牽手、無支線、總線兩端必須有終端電阻的一種線性總線結(jié)構(gòu),如圖1-1所示。


圖1-1 標(biāo)準(zhǔn)的RS485和CAN總線連接拓?fù)?/span>

 

為圖示清晰,后面均采用下面圖1-2所示的簡潔圖示:


圖1-2標(biāo)準(zhǔn)的RS485和CAN總線連接拓?fù)浜啙崍D示

 

2、RS485和CAN總線的終端電阻

關(guān)于RS485和CAN總線終端電阻的詳細(xì)論述請參看相關(guān)教科書。簡單的表述是:當(dāng)信號在電纜中傳輸時(shí),由于電纜的線間電容、電感和電阻的作用,會(huì)產(chǎn)生信號反射,從而引起波形畸變使得通信數(shù)據(jù)出錯(cuò)。在電纜的兩端各并接一只與電纜特性阻抗相同的電阻,就可以消除這種信號反射,從而保證數(shù)據(jù)正常傳輸,這兩個(gè)電阻就叫做終端電阻。雙絞線的特性阻抗通常為120歐,所以終端電阻的標(biāo)準(zhǔn)值通常也為120歐。如上面圖1-1和圖1-2所示。

由于信號是雙向傳輸?shù)?,所以一段總線電纜的終端電阻是2個(gè),需分別安裝在一段電纜的兩端。當(dāng)總線中安裝有中繼器、集線器、光纖轉(zhuǎn)換器等部件后,電纜就被這些部件分割成了幾段,每段電纜的兩端都須安裝終端電阻,以此類推,如圖2-1、圖2-2、圖2-3所示。


圖2-1 有中繼器時(shí)的終端電阻配置



圖2-2 有集線器時(shí)的終端電阻配置


 

 

圖2-3 有光纖轉(zhuǎn)換器時(shí)的終端電阻配置

 


2.1、RS485和CAN總線電纜超過多長才需安裝終端電阻?

這個(gè)問題與通信波特率(通信速率)密切相關(guān),筆者實(shí)際測試的結(jié)果是,RS485波特率為9.6Kbps時(shí),電纜長度幾百米無需終端電阻也能正常通信,波特率12Mbps時(shí),電纜長度十幾米必須有終端電阻才能正常通信;CAN總線波特率為1Mbps時(shí),電纜長度幾米也必須有終端電阻才能正常通信。總之筆者認(rèn)為,不管電纜長短,都應(yīng)該有終端電阻,遵守規(guī)則總是正確的。

 

2.2、為什么有的RS485總線兩端必須安裝有源終端電阻?

先看一個(gè)案例:如圖2-4,兩臺西門子S7-200PLC之間通訊,電纜長度十幾米,沒有120歐終端電阻時(shí)通信正常,有120歐終端電阻時(shí)則不能通信。


圖2-4


分析如下:

如圖2-5是S7-200PLC的RS485通信口簡化圖,為了保證總線上能夠掛接數(shù)十個(gè)RS485站點(diǎn),PLC的RS485接口上只能設(shè)計(jì)兩個(gè)100K的弱上拉電阻和下拉電阻(也稱為偏置電阻,該電阻不能過小,否則節(jié)點(diǎn)掛多了時(shí)會(huì)把總線拉死?。?/span>

 

圖2-5 S7-200PLC的RS485接口簡圖

 

接入120歐終端電阻后,在RS485總線上產(chǎn)生偏置電壓為:5×0.12 /(100+100+0.12)=0.003V,眾所周知,RS485芯片的門限電壓為±0.2V,也就是說RS485輸入電壓在-0.2V~+0.2V之間時(shí),其接收器的輸出是不確定的,如果接收器輸出為邏輯0 ,就會(huì)使CPU收到連續(xù)長0信號而無法正常通信。

西門子為解決這種問題設(shè)計(jì)了兩種產(chǎn)品:總線連接器和有源終端電阻,二者原理相同,都是在終端電阻上增加了390歐的上拉電阻和下拉電阻,如圖2-6所示,RS485空閑時(shí),在總線上產(chǎn)生邏輯1偏置電壓為:5×220 /(390+390+220)=1.1V,或5×120 /(390+390+120)=0.66V,該電壓大于RS485的門限電壓0.2V,從而保證了RS485接收器輸出為邏輯1,使總線處于空閑待機(jī)狀態(tài)。


圖2-6 RS485總線上拉下拉電阻的原理

 

西門子采用的終端電阻是220歐,筆者測試的結(jié)果是:電纜長度1000米,RS485芯片發(fā)送器發(fā)送信號,用示波器觀察該RS485芯片的接收器輸出,電纜的兩端都有390歐的偏置電阻時(shí),終端電阻為220歐和120歐都沒有信號反射,當(dāng)電纜只有一端有390歐偏置電阻時(shí),終端電阻為120歐仍然沒有信號反射,220歐時(shí)有信號反射。

圖2-7是西門子總線連接器原理圖,圖2-8是四星電子有源終端電阻原理圖。


圖2-7 西門子總線連接器原理圖

 

圖2-8 四星電子有源終端電阻原理圖

 

另一種結(jié)構(gòu)的RS485接口電路,如CC-Link,如圖2-9所示,這種RS485接口電路無需在設(shè)備外部設(shè)計(jì)上拉下拉電阻,直接并接120歐終端電阻即可,即使總線短路也不會(huì)使RS485接收器輸出長邏輯0給CPU,讀者可自行分析。


圖2-9 CC-Link的RS485接口電路

 

CAN總線的門限電平為≥0.9V才有效,因此也就不存在上拉下拉電阻問題了,直接在電纜兩端并接120歐終端電阻即可。


3、RS485和CAN總線的支線問題

支線問題往往被很多用戶忽視,當(dāng)支線較多或太長時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些奇怪的通信故障。支線是指RS485或CAN接口到總線的那一段電纜,如圖3-1所示。


圖3-1 RS485和CAN總線的支線

 


當(dāng)RS485或CAN信號在總線上傳輸時(shí),會(huì)在支線中產(chǎn)生回波使得信號波形畸變,當(dāng)支線長度過長或者支線站點(diǎn)過多時(shí)尤其嚴(yán)重。常見的錯(cuò)誤支線如圖3-2所示。


圖3-2 RS485和CAN常見錯(cuò)誤支線

 


3.1、支線到底允許多長?

相關(guān)文獻(xiàn)和產(chǎn)品說明書上講RS485或CAN的支線允許長度時(shí),幾乎沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù),有說允許支線最長1米,有說允許支線最長5米,特別是CAN總線的支線問題,其允許每個(gè)支線長度和支線數(shù)量等還有很復(fù)雜的估算公式。其實(shí)支線長度也是和通信波特率密切相關(guān)的,筆者認(rèn)為,施工布線成無支線為上策,避免不必要的麻煩。

 

3.2、怎樣做到無支線?

對于接口形式是DB9插座的現(xiàn)場總線,如PROFIBUS、PPI、MPI、CANOpen,西門子等公司早已設(shè)計(jì)有PROFIBUS總線連接器(俗稱DP插頭)、CANOpen總線連接器等部件,只要使用這些連接器就可實(shí)現(xiàn)無支線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),PROFIBUS總線連接器的原理圖見前面的圖2-7,下面圖3-3是CANOpen總線連接器原理圖。


 

圖3-3 CANOpen總線連接器原理圖

 

 

 

現(xiàn)在新型的DeviceNet連接器采用了一分二的雙孔連接器端子,同樣也實(shí)現(xiàn)了無支線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3-4所示。

 

圖3-4 DeviceNet一分二連接器

 

 

對于那些只有一對接線端子的RS485和CAN接口,可采用雙線并接一個(gè)端子的方式來實(shí)現(xiàn)無支線結(jié)構(gòu),如圖3-5所示。


圖3-5 雙線并接的無支線結(jié)構(gòu)

 


3.3、無法避免支線怎么辦呢?

在RS485和CAN總線布線施工時(shí),有些時(shí)候由于環(huán)境局限或本身就需要將電纜分支引到別處,這時(shí)就必須在分支處安裝中繼器,經(jīng)過中繼器就產(chǎn)生了一條新的總線,且傳輸距離符合RS485標(biāo)準(zhǔn),如圖3-6所示。注意,圖中的中繼器在總線段1中是作為一個(gè)站點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)),在總線段2和總線段3中是作為一個(gè)終端。


 

圖3-6 RS485和CAN總線在分支處須安裝中繼器

 

 

4、RS485信號極性標(biāo)注符號

RS485標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定信號正負(fù)極性的符號,因此各廠家產(chǎn)品標(biāo)注RS485信號正負(fù)極性的符號各不相同,中國的產(chǎn)品以及日本三菱的PLC、CC-Link等工控產(chǎn)品多以A(或DA)表示RS485信號正、B(或DB)表示RS485信號負(fù)。而西門子、歐姆龍、施耐德等則相反,用B表示RS485信號正、A表示RS485信號負(fù)。 用戶經(jīng)常因此犯糊涂。

判斷RS485信號正負(fù)極性很簡單:取下電纜,用萬用表電壓檔測量一下RS485兩個(gè)端子上的開路電壓極性便知,RS485開路時(shí),即使內(nèi)部沒有設(shè)計(jì)上拉下拉電阻,也總會(huì)有一定的殘余電壓。

四星電子的RS485正負(fù)極性符號為D+、D-,不易混淆。

 

5、RS485和CAN的信號地和屏蔽地

RS485和CAN總線電纜通常使用帶屏蔽層的雙絞線電纜,屏蔽層需接到各個(gè)站點(diǎn)的機(jī)殼地(屏蔽接地,符號通常為FG、SLD),這是屏蔽電纜接地的常規(guī)做法,很好理解,不用贅述。

很多RS485和CAN總線產(chǎn)品還有一個(gè)信號地(通常符號為SG、DG)端子,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上的表述是需要用一根導(dǎo)線將所有站點(diǎn)的信號地連通,使之成等電位,以免各站點(diǎn)地電位差太大損壞RS485或CAN器件。如圖5-1所示。


 

圖5-1 將各站點(diǎn)的信號地SG連成等電位

 

CC-Link、DeviceNet、CANOpen等在產(chǎn)品上和通信電纜均設(shè)計(jì)了這個(gè)信號地線,而PROFIBUS從產(chǎn)品到通信電纜均沒有設(shè)計(jì)這個(gè)信號地;眾多的RS485、CAN總線在實(shí)際工程中其實(shí)都是使用二芯雙絞線,大多數(shù)的用戶都沒有連接各站點(diǎn)的信號地線。

筆者認(rèn)為,如果各站點(diǎn)的接口是經(jīng)過隔離的,則完全沒有必要連接第三條信號地線,因?yàn)楦綦x后各站點(diǎn)的信號地是各自獨(dú)立不相干的,不會(huì)形成地線回路。

 

6、RS485和CAN總線的傳輸距離

RS485和CAN總線的傳輸距離除了與使用的雙絞線有關(guān)外,還與通信波特率密切相關(guān),波特率越低傳輸距離越遠(yuǎn),反之波特率越大傳輸距離越短。RS485和CAN總線均規(guī)定了所使用雙絞線的參數(shù),如表6-1、表6-2所示。


表6-1  RS485專用雙絞線電纜參數(shù)

通    用  特  性

規(guī)           范

類型

屏蔽雙絞線

導(dǎo)體截面積

24AWG(0.35mm2)或更粗

電纜電容

<60pf/m

特性阻抗

120歐

 

 

表6-2  CAN總線專用雙絞線電纜參數(shù)

通    用  特  性

規(guī)           范

類型

屏蔽雙絞線

導(dǎo)體截面積

0.5mm2 ,當(dāng)長度超過1km時(shí),要求截面積≥1.5mm2

電纜電容

<60pf/m

特性阻抗

120歐


有的電纜生產(chǎn)廠家為節(jié)省成本,在銅線中添加了其它廉價(jià)合金,這將使得電纜的電阻值增大,在購買電纜時(shí)需指明為無氧銅電纜。用戶可對電纜進(jìn)行一下簡單粗略的測試:

用萬用表電阻檔測量電纜的電阻值、游標(biāo)卡尺測量導(dǎo)體的直徑(換算成截面積),根據(jù)導(dǎo)體電阻計(jì)算公式R= ρL/S,ρ:銅的電阻率為0.017,L:電纜長度(米),S:電纜截面積(mm2),根據(jù)公式可判斷電纜是否為純銅材質(zhì)。

用萬用表電容檔測量電纜的線間電容,每米的線間電容應(yīng)小于60pf。


表6-3 不同波特率下RS485的最大傳輸距離

波特率(bps)

9.6K

19.2K

45.45K

93.75K

187.5K

500K

1.5M

3M

6M

12M

最大電纜長度(米)

1200

1000

400

200

100

 


表6-4 不同波特率下CAN總線的最大傳輸距離

波特率(bps)

5k

10k

20k

50k

100k

125k

250k

500k

1M

最大電纜長度

10km

5km

3km

1km

500m

400m

200m

100m

30m

 

為什么CAN總線電纜長度超過1km時(shí),要求雙絞線導(dǎo)體的截面積≥1.5mm2  ?

幾乎所有關(guān)于CAN總線的教科書和產(chǎn)品手冊上都提到CAN總線在通信速率為5Kbps時(shí)通信距離可達(dá)10公里,10Kbps時(shí)通信距離可達(dá)5公里,但用戶在實(shí)際使用中卻達(dá)不到說明書上注明的最大通信距離,原因何在?這里人們忽略了傳輸線的截面積問題,因?yàn)镃AN在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)需要較粗的雙絞線!我們假定不考慮通信線路的電感和線間電容,CAN數(shù)據(jù)發(fā)送和接收如下圖6-1所示:


圖6-1 CAN總線信號的發(fā)送與接收


圖中:Rt為終端電阻,Rt=120歐;R為雙絞線電纜電阻(二根線的電阻),阻值由線路的長度和粗細(xì)確定;Vo為CAN發(fā)送器輸出電壓,當(dāng)接上終端電阻Rt時(shí),Vo=2V;Vi為CAN接收器的輸入電壓,Vi≥0.9V時(shí)信號有效。

當(dāng)發(fā)送器發(fā)送信號時(shí)Vo=2V,接收器輸入電壓Vi≥0.9V時(shí)信號被接收,這時(shí)允許通信線路的最大壓降為:Vr=Vo-Vi=2-0.9=1.1V。線路電阻為:R=RtVo/Vi-Rt=120×2/0.9-120=146歐,線路導(dǎo)線的截面積為:S=ρL/R    S::導(dǎo)線截面積mm2,ρ:銅的電阻率,ρ=0.017,L:線路長度(二芯),當(dāng)通信距離為10公里時(shí)L=20000米,由此得出通信距離為10公里時(shí)的最小導(dǎo)線截面積為:S=0.017×20000/146=2.3 mm2??紤]到雙絞線的電感和線間電容,截面積應(yīng)該大于2.3 mm2,實(shí)際上傳輸10km距離時(shí),雙絞線截面積應(yīng)選2.5mm2以上。

實(shí)際應(yīng)用中,如果已敷設(shè)好截面積較小的雙絞線,可將總線兩端的終端電阻適當(dāng)增大,比如可在120歐~390歐之間選擇來試試,這樣可提高CAN接收器分得的信號電壓,因?yàn)榈退偻ㄐ艜r(shí),較大的終端電阻產(chǎn)生的信號反射往往在容忍范圍內(nèi)。下表6-5是實(shí)測的CAN總線在不同傳輸距離和不同波特率下可使用的終端電阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。


表6-5  CAN總線不同傳輸距離和波特率可使用的終端電阻經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

傳輸距離

波特率(bps)

終端電阻

30m

1M

120歐

40m

800K

120歐

100m

500K

120歐

200m

250K

120歐

400m

125K

120歐

500m

100K

120歐

1km

50K

120歐

3km

20K

180歐

5km

10K

270歐

10km

5K

390歐

 

影響傳輸距離的因素除以上所述外,還和工業(yè)現(xiàn)場的干擾相關(guān),特別是與大功率變頻器通信時(shí),其傳輸距離會(huì)大大的縮短。必要時(shí)需要增加安裝中繼器或隔離器來解決這些問題。西門子的相關(guān)產(chǎn)品說明書就表述得很保守,規(guī)定非隔離的RS485口傳輸距離不能超過50米,我們實(shí)測結(jié)果遠(yuǎn)不止50米,說明人家是考慮了現(xiàn)場干擾等綜合因素。所以我們在實(shí)際工程中所使用的電纜長度最好不要超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的70%為宜,凡事需留有一定的余地。

 

7、RS485和CAN總線的星型連接

手牽手一條總線走到底的總線型連接是RS485和CAN的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,但也存在以下缺點(diǎn):

●  某個(gè)站點(diǎn)故障時(shí)可能會(huì)影響整條總線。

  排查故障麻煩,特別是站點(diǎn)較多時(shí),要找到故障站點(diǎn)很費(fèi)時(shí)。

  總線如遭遇雷擊浪涌,可能損壞所有連接在總線上的站點(diǎn)設(shè)備。

  在某些環(huán)境下施工麻煩。

  對于總線型光纖連接,某個(gè)光纖適配器停電時(shí),則后面的站點(diǎn)就無法進(jìn)行通信了。

 

星型連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚湍芎芎玫慕鉀Q上述問題,如圖7-1所示為使用集線器后星型連接拓?fù)洹?/span>

 

圖7-1 RS485和CAN總線的星型連接

 

四星電子為RS485和CAN總線的星型連接拓?fù)溲邪l(fā)出了系列集線器,如組合式RS485集線器、組合式CC-Link集線器、組合式LonWorks集線器、PROFIBUS集線器、CAN總線集線器、AS-i總線集線器等系列產(chǎn)品。如圖7-2所示。

 

 

 

圖7-2 四星電子各種現(xiàn)場總線集線器

 

 

 

 

 

8、RS485和CAN總線接口隔離

接口隔離是用光耦將RS485或CAN接口與內(nèi)部電路隔離開來,這樣一來總線上的各個(gè)站點(diǎn)通信口之間就沒有電的連接,也不會(huì)形成地線回路,起到了很好的抗共模干擾的作用,各站點(diǎn)的信號地就不必用導(dǎo)線連成等電位。在有些場合,接口隔離是必須的,如變頻器的RS485口或PROFIBUS口,變頻器的工作原理決定了其RS485口在輸出正常數(shù)據(jù)信號的同時(shí),往往還夾雜著一些雜波干擾信號,這些信號時(shí)常會(huì)使傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò),現(xiàn)場實(shí)踐中通常表現(xiàn)為通信時(shí)通時(shí)斷。

用RS485隔離器可以解決或改善這種問題,如圖8-1所示。圖中接變頻器的是RS485隔離器,接PLC的是隔離型的PROFIBUS總線連接器。

 

 

圖8-1 西門子PLC與變頻器隔離通信方案

 

 

9、RS485和CAN總線接口保護(hù)

圖9-1是四星電子出品的RS485和CAN總線通用接口保護(hù)器BH-485,從圖中可看出該保護(hù)器設(shè)計(jì)為二級保護(hù),第一級采用陶瓷放電管吸收雷電浪涌,然后經(jīng)過自恢復(fù)保險(xiǎn)限流到第二級TVS保護(hù),三個(gè)TVS器件分別對信號線之間、信號線與信號地之間進(jìn)行鉗位保護(hù)。

該保護(hù)器內(nèi)還帶有120歐終端電阻,通過短路S1、S2端子來接入終端電阻,而且該產(chǎn)品設(shè)計(jì)成J1、J2雙接線端子,這樣便于實(shí)現(xiàn)手牽手的無支線的連接方式。

 

圖9-1 RS485和CAN浪涌保護(hù)器

 

10、RS485站點(diǎn)上電時(shí)對總線的影響

在實(shí)際工程中,有的從站是間歇式工作的,即需要時(shí)通電連入總線,不用時(shí)則關(guān)斷從站電源。在設(shè)備上電的過渡過程中,其RS485口輸出是不確定的,可能輸出邏輯1或邏輯0電平短暫的拉死總線,從而造成通訊閃斷。

如圖10-1的接口電路設(shè)計(jì)可以防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)上電瞬間,C1電壓不能突變,或非門U1的1腳為高電平,輸出3腳為低電平,確保了RS485芯片U2的發(fā)送器關(guān)閉,不會(huì)對總線造成擾動(dòng);當(dāng)經(jīng)過t=R1×C1時(shí)間后,U1的1腳變?yōu)榈碗娖?,使能信號EN才開始控制RS485芯片U2的數(shù)據(jù)收發(fā)。二極管D1的作用是反向電壓鉗位保護(hù)。

 

圖10-1 上電瞬間不會(huì)對總線產(chǎn)生擾動(dòng)的電路

 

CAN總線站點(diǎn)上電的過渡過程中,CANH、CANL是處于高阻懸浮狀態(tài),不會(huì)對總線產(chǎn)生影響。



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