火灾自动报警系统常见总线故障处理探讨

山东同圆设计集团有限公司 曹 涛

山东省青年管理干部学院总务处 张 蕾

现有火灾自动报警系统采用的总线技术种类较多，如RS-485、Profibus、Can总 线 等，鉴 于RS-485、Profibus、Can 总线所应用的ISO/OSI的物理层采用的均为EIA的RS-485总线规范，本文将讨论火灾自动报警系统中基于RS-485的总线常见故障及其处理方法。

1 RS-485标准

EIA于1983年推出了适合远距离数字通信的RS-485总线标准，这是一种支持多节点、远距离、双向通信的总线标准，适应于集散控制系统的发展，现已广泛应用于自动化领域。如标准西门子变频器MICOROMASTER4系列带有串行接口，而串行接口采用RS-485双线连接，可直接实现与控制设备的通信。

RS-485的数字信号采用差分传输方式，可以有效减小共模干扰，提高通信距离。最大传输距离约为4000ft（约合1219m），最大传输速率为10Mbps。RS-485网络只有传输速率在100bps以下时才可能达到最大传输距离；只有在很短的距离下才能获得最高传输速率，如图1所示。由于损耗与频率有关，所以传输速率与传输距离约为反比关系，可用下面的经验公式进行计算：速率(bps)×距离(m)≤1×108bps·m

图1 传输速率和传输距离的关系

RS-485组网采用二线方式时，采用一条双绞线电缆作总线，将各节点串接起来，总线上可连接多达32台设备。总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便引出线中的反射信号对总线信号的影响降到最小。否则，随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，原因在于信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量的下降。当RS-485网络上的设备多于2台时，就必须采用半双工方式进行通信，即数据发送和接收使用同一线路，发送时不允许接收数据进入线路，反之亦然。RS-485网络中只允许有一个设备是主设备，其余全部是从设备；或者无主设备，各个设备之间通过传递令牌获得总线控制权。RS-485总线线路空闲（即不传送信号），线路处于高阻（或挂起）状态，这时RS-485总线线路就可以允许被其他设备占用。根据RS-485芯片的驱动能力不同，一个RS-485数据发送设备可以驱动32台256台数据接收设备。

RS-485标准定义的其接口电路的特性：

·共 模电压范围在－7V～＋12V之间

·接 收器最小输入阻抗为12MΩ

·输入端电容不大于50pf

·接收器输入灵敏度为±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示逻辑信号“0”；V+－V-≤-200mV表示逻辑信号“1”），如图2所示。

2 RS－485总线的实现

图2 RS-485接口信号示意图

在实际应用系统中，RS-485半双工异步通信串行总线广泛使用于火灾自动报警控制系统的火灾报警控制器和分散控制单元（感温探测器、感烟探测器、输入输出模块等）之间，而往往分散控制单元数量较多，分布较远，现场存在各种干扰，所以通信的可靠性不高。再加上软硬件设计的不完善，使得实际工程应用中如何保障RS-485总线的通信的可靠性成为一个关键的问题。我们对影响RS-485总线通信的可靠性因素做出总结，对RS-485总线采取了如下的改进措施。

2.1 传输线选择和阻抗匹配

由于双绞线价格低廉，使用方便，在差分平衡系统中，一般选择双绞线作为信号传输线。RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上的双绞线，并且此信号线不能与电源线（交直流）共用一股多芯电缆。系统安装时应尽量做到传输线单独敷设，不与交流动力线一起铺设在同一条电缆桥架或电缆沟中。强信号线与弱信号线避免平行走向，尽量使二者正交。如若难以实现，也要尽量使信号线离干扰线远一些，一般认为两者的距离应为干扰线内径的40倍以上。

图3 二线网络的终结电阻匹配

双绞线两条线基本对称，外界干扰噪声主要以共模方式出现，对接收器的差动输入影响不大。但是，通信过程中，阻抗不连续和阻抗不匹配均有可能导致通信电缆中的信号反射。阻抗不连续或阻抗不匹配产生的反射信号将可能触发接收器输入端，使接收器收到错误信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误，从而影响了整个数据传输网络传输的可靠性。

应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下面几种情况容易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆；或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装；或者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。在通讯波特率比较高的时候或在工业环境下使用时建议装设终结电阻。

衡量反射信号强度的参数是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰减因子）。计算公式如下：

式中：Vref—反射信号的电压大小；

Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。

通信过程中，对于这种阻抗不连续和阻抗不匹配的状况，通常采用加偏置电阻的方法来改善。由于通信载体一般为双绞线，而双绞线的特性阻抗一般在110Ω～130Ω之间，通常在传输线的始端、末端各接一个120Ω的电阻进行阻抗匹配，以减小线路上传输信号的反射。但此匹配电阻要消耗较大的电流，不适用于功耗限制严格的系统。以二线网络为例，终结电阻的接法如图2所示。目前也已经有把终结电阻集成在通信卡上的例子，如ADLINK公司的PCI-C485、C422串行通讯卡、ADVANTECH公 司 的PCI-1601、1602串行通讯卡，可以根据自己的需要直接通过对跳线的设置来接入终结电阻。

另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值要在功耗和匹配质量间进行折中。

还有一种采用二极管的匹配方法。这种方法虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。

2.2 共模干扰问题

某些工控领域，由于现场情况十分复杂，各节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用差分方式传输，具有一定的抗干扰能力，系统只需要检测两线之间的电位差就可以了。RS-485的共模电压范围是－7V～＋12V，当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠性，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

可以通过各微系统独立供电的方案DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离，彻底消除共模电压的影响。可以选择带光电耦合、带隔离DC-DC 的RS-485芯片构筑电路。

另外，发送器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，对整个RS-485网络就必须有一条低阻的信号地将两个接口的信号地连接起来，使共模干扰电压被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），也可以是屏蔽双绞线的屏蔽层。

2.3 错误状态保护

RS-485标准规定接收器输入 灵 敏 度 为±200mV（ 即V+－V-≥200mV,表示逻辑信号“0”；V+－V-≤-200mV表示逻辑信号“1”），这样能够提供比较高的噪声抑制能力。但在这两个状态之外，总线上无信号传输时发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”和“0”的第三态。由于第三态的存在，主机在发完一个信息数据后，将总线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，使A、B之间的电压在-200mV～ ＋200mV直 至 趋 于0V。这就导致接收器输出状态不稳定，如果此时接收器输出为逻辑“0”，网络中的分机将把它作为一个新的启动位，并试图读取后续字节。由于永远不会有停止位，产生一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络将可能陷于瘫痪。总线空闲、开路或短路时也会出现这种情况。

为避免接收器处于不确定状态，通常的做法是将总线进入空闲状态时拉离“0”状态，偏置在一个确定的状态。可以采用在RS-485总线的A、B输出端加接上拉、下拉电阻，可将A上拉到地，B下拉到5V，电阻的典型值是1kΩ，如图4。

图4 偏置电阻的接法

2.4 瞬态保护

实际应用中，一般在切换大功率感性负载如电动机变压器继电器等或闪电过程都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以防护就会损坏RS-485通信接口。对这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。

（1）隔离保护方法。这种方法实际上是将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用，通常采用高频变压器、光电耦合等元器件实现接口的电气隔离。现已有厂商将这些元件集成在一片IC中，使用起来非常方便，缺点是成本较高。

（2）旁路保护方法。这种方案利用瞬态杂波抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本低，缺点是保护能力有限，持续时间短，而且需要一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。

3 故障处理

3.1 RS-485常出现的硬件问题

RS-485经常出现的硬件问题是连线的极性接反。正确地连接DATA＋和DATA-,都是非常重要的。DATA＋和DATA-有时候标记为P＋和N-或者是A和B。

3.2 RS-485总线上挂接设备的地址

RS-485总线上挂接设备的地址必须是唯一的。设备总是在对总线进行监听，而且在识别标志和校验正确无误时，始终对合法的信息予以应答，只有对广播信息例外，广播方式时，无设备予以应答。可以用示波器观测总线。

3.3 采用各微系统独立供电方案

为消除共模干扰采用各微系统独立供电方案，最好不要采用一台大电源给微系统并联供电，同时电源线（交直流）不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上双绞线而不是平直线。

3.4 S-485是什么结构的通信总线

RS-485是一种半双工结构通信总线，大多用于一对多点的通信系统，因此主机（PC）应置于一端，不要置于中间而形成主干的T型分布。RS-485节点与主干之间距离（T头，也称引出线）越短越好。通信距离1km以上时，应考虑通过增

加中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。

4 结语

深入研究各种火灾自动报警系统总线工作方式，合理规范设计，避免常见问题的发生，使火灾自动报警系统更加安全稳定的工作。

[1] 李肇庆，韩涛. 串行端口技术[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2] 李正军. 计算机测控系统设计与应用[M].机械工业出版社，2004.

[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 清华大学出版社，1999.

[4] 虞日跃，史洪源. RS-485总线的理论与实践[J].电子技术应用，2001,27(11).