DDC 通訊故障分析

陳寅生 （中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120）

工程中的自動控制系統由于控制點分散，點與點之間距離較遠，不易采用電纜傳輸的集中控制方式，因此大量采用分散控制方式。為了傳遞數據，控制器與主機之間主要采用RS-485通訊方式。這種通訊方式具有接線簡單和通訊距離遠的優點。它在波特率為9600Baud時，不加中繼的最大傳輸距離為1200m，因此該通訊方式在工程中得到廣泛的應用，絕大部分現場總線都是基于RS-485的通訊方式。

1 RS-485工作原理

RS-485是工程中最常用的一種通訊標準，它是RS-422通訊標準的擴展，它的信號傳輸有兩線制和四線制兩種方式，通常采用前者。這種接線方式為總線式結構，在同一總線上一般可以連接32個節點或64個節點（根據通訊芯片的承載能力決定）。對于采用高驅動能力芯片的設備，一條鏈路理論上最多可以連接到128個節點。

RS-485通訊采用差動信號傳輸工作方式，當通訊芯片的A、B兩端接收到的信號VA、VB在0.2V﹤VA-VB﹤6V時，表示數字電路的一種邏輯狀態；-6V﹤VA-VB﹤-0.2V時，表示數字電路的另一種邏輯狀態；-0.2V﹤VA-VB﹤0.2V時為空閑狀態。

一般情況下，一個最基本的RS-485通訊字節由11位組成，包括1位起始位，8位數據位，1位校驗位和1位停止位。一個通訊數據包由多個通訊字節組成，它通常包括特征碼、地址、命令及數據等。雖然各設備生產商所采用的通訊協議不同，但是其基本架構都是由以上參數所組成的。

RS-485通信采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機或一個主機帶多個局域控制器。連接RS-485通信鏈路時，只是簡單地用一對雙絞線將主機和各從機或控制器進行連接，即將所有通訊接口的“A”、“B”端相對應連接。由于它所采用的是差動信號傳輸方式，所以可以省略信號地的連接。這種連接方法在一般情況下不會出現大的工作問題，但是這種通訊方式存在共模干擾的危險。RS-485接口采用差動方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差即可。但是有一定的共模電壓（即傳輸信號對通訊芯片供電參照點即信號地的電壓）范圍限制，這個共模電壓范圍是-7V～+12V，只有滿足條件，通訊電路才能正常工作。當電路中共模電壓超出這個范圍時，會影響通信的穩定性；嚴重超出范圍，會損壞接口電路和通訊芯片。

1.1 線路連接

RS-485通訊的正確連接方式如圖1所示；連接不得出現分支，否則，在分支點上由于電纜本身所具有特性阻抗，會出現阻抗突變，如圖2所示。信號在傳輸過程中，遇到阻抗突變，會產生信號反射。一旦反射波與源波疊加，會產生誤碼，影響通訊質量。通常情況下，考慮到通訊速度和傳輸距離，RS-485的通訊速率設置在9600Baud，最大有效傳輸距離1200m，特性阻抗大約在120Ω左右；有些產品的通訊速率可達到19200Baud，在這種情況下它的有效傳輸距離將要縮短；當實際傳輸距離超出有效通訊范圍要求時，需要在線路中增加中繼器。

圖1 RS-485通訊線路正確連接方式

圖2 RS-485通訊線路錯誤連接方式

為了減少信號反射問題，RS-485的一條通訊線路上不允許出現分支，且在一條鏈路的終端需跨接90Ω～120Ω匹配電阻，為了盡可能的減輕通訊負載，工程上通常匹配120Ω的電阻；由于RS-485通訊方式為雙向傳輸，所以匹配電阻需加載在整條鏈路的兩端。

對于距離小于200m的傳輸線路，由于線間電容和線路電感較小，信號波形畸變不大，所以不會對通訊質量造成大的影響，通常省略了匹配電阻。但是對于超過200m的通訊線路，線路的參數是不能忽視的，在增加了匹配電阻后，由于負載增加，一條鏈路所帶終端數必然要減少，否則會因為驅動能力不夠而使整條鏈路無法工作。超過有效傳輸距離的RS-485通訊線路，則需要在線路中增加“中繼器”。由于鏈路是在中繼器處斷開，因此到中繼器的入口處，是一條鏈路的終端，它的出口是另一條鏈路的起始端。這種情況下，在中繼器的兩端都需匹配120Ω的終端電阻。

從理論上分析，在鏈路終端跨接與電纜特征阻抗一致的電阻，可以消除信號反射。實際工程中，由于采用的電纜的長度、截面和絕緣材料等有所不同，其特征阻抗也會有所不同。雖然理論上講，終端匹配電阻應該與電纜的特征阻抗一致，才能將反射信號降至最低，但是工程上不可能做到完全一致。由于電纜的特征電阻是線間電容和線路電感平方根函數，因此，即使采用不同品牌、不同截面的電纜，其特征電阻也不會有太大差別，所以工程上通常采用跨接120Ω匹配電阻。

1.2 屏蔽接地

通訊線路的屏蔽層需要接地是眾所周知的，但是往往很多通訊故障都是由于屏蔽層的接地不正確所引起的。為了減少對通訊的干擾，通訊線通常采用屏蔽雙絞線，但是屏蔽層的接地正確與否，會影響到通訊質量的好壞，錯誤的接地方式甚至會造成通訊電路的損壞。

通常采用的DDC設備，為了防止外部通訊線路的干擾信號影響到MCU的正常運行，控制電路和通訊電路之間往往采用光電隔離技術。通訊側電路與設備內部控制電路經過光電耦合器傳輸信號，沒有導線的直接連接，從而避免外界信號的電平過高或強干擾影響到內部控制電路。這種電路中所設置的通訊線屏蔽層接線端子通常是與通訊芯片供電電源的公共端（通訊信號地）連接，如圖3所示。

從 圖3分 析，兩 臺DDC距離較近且周邊沒有電磁場干擾的情況下，將通訊電纜的屏蔽層兩端分別接到兩臺設備的屏蔽層接線端子，僅僅是將兩臺設備的通訊端電源公共端連接在一起，形成了等電位連接，不會影響通訊質量。但是這種連接方式是有前提條件的，美國TI公司提供的技術資料指出：“這種連接方式僅限于：設備的通訊電路與控制電路必須是隔離的，包括為這些電路所提供的電源也必須是隔離的，且沒有與局域地線、PE線連接。這就是說，每臺設備的通訊地是浮動的，它的通訊電路與其他任何控制電路不發生任何線路連接時，才可以采用這種方式。”

但是在工程中，產品供應商并不提供產品原理圖，一般情況下，我們也無法了解內部電路結構，所以工程中這種連接方式危險性很大。

從另一角度講，實際工作情況并非理想狀態，通常情況下，DDC周邊會有很多電氣設備，這些設備的啟動、運行時都會對通訊設備造成干擾。如果將通訊線的屏蔽層兩端分別連接到兩臺設備通訊端的通訊地線上，便會使兩臺設備之間形成回路，造成通信號共模電壓發生變化。

假定外界干擾信號電壓為VD，通訊芯片接收A、B兩端所收到的信號即使不受到任何干擾，它的傳輸電壓沒有發生任何變化，但是它們各自對公共端的電壓則發生了變化，此時A點對通訊地的電壓 = VA+ VD；B點對通訊地的電壓= VB+ VD。

圖3 常用DDC通訊結構

圖4 瞬間電壓抑制保護電路結構

當干擾信號電壓VD在正常的共模電壓允許范圍內，不會對通訊電路造成損壞，但是會造成誤碼率增加，使得通訊指令或數據反復傳送，影響通訊質量，其結果是實際發生的通訊時間超過正常標準通訊時間。

當干擾信號電壓VD超出正常的共模電壓范圍，便會使得通訊電路無法工作，通訊失敗，不能通訊。

當干擾信號電壓VD超出通訊電路保護電壓范圍，則會擊穿通訊電路中用于保護的瞬間抑制二極管（見圖4），甚至擊穿通訊芯片，造成通訊電路損壞。

2 故障分析

工程中有時會遇到這樣一種情況：將通訊線屏蔽層的一端接通訊端子，另一端接PE。有人認為這完全滿足單端接地的要求，這種想法是因為對通訊電路不了解所產生的。從圖3我們可以看到，如果將屏蔽層在Groud1處斷開，接PE1，便使得Groud2與PE1連接；通過建筑物的PE線與PE2連接，使得隔離電源兩端短路，造成隔離電源起不到隔離作用，使控制電路與通訊電路的隔離完全失效。只要一條鏈路上有一處出現這種問題，通過通訊芯片的A、B端，將造成所有在這條鏈路上的DDC的隔離功能失效。

這樣連接的危害是非常大的，由于PE線上的干擾電壓不但會造成共模電壓大大超過范圍和通訊電路擊穿，還會造成通訊電路隔離電源公共端與DDC設備地線間用于保護的瞬間抑制二極管擊穿。尤其是在TN-C的接地系統中，一旦接地系統發生故障，便會造成大面積的DDC損壞。

因此，具有“通訊地”專用端子的設備，通訊線的屏蔽層一端應與該端子連接，或者與PE線連接，不能跨接兩個“地”。另外，屏蔽層的另一端不能與任何導體碰觸，否則，會出現通訊異常，甚至會發生更加嚴重的情況。通常情況下，應將通訊線的屏蔽層接“通訊地”專用端子，對沒有設置“通訊地”專用端子的設備，可將通訊線的屏蔽層接設備外殼或PE線。

以下是工程中常遇到的通訊故障情況：

1）通訊時間過長

這種情況通常是通訊線路質量、布線或線路干擾所產生的。由于線間電容的影響造成波形畸變，或者是外界干擾使得通訊誤碼率增加，校驗不正確，迫使通訊多次重復。

2）打雷后通訊中斷

如果是通訊線的屏蔽層直接連接到設備外殼或PE線，雷電發生時，造成PE線上瞬間電壓無法迅速釋放，引起的地電位瞬間升高，擊穿瞬間抑制二極管和通訊芯片所致。

3）無法通訊

這種情況，大部分是由于接線錯誤所造成的。如前所述，通訊線的屏蔽層一端接設備的“通訊地”專用端子，屏蔽層的另一端接PE所致，造成與通訊電路相關的、用于保護的瞬間抑制二極管擊穿以及通訊芯片擊穿。

4）其他情況

在高濕、低溫等特殊氣候條件下，芯片工作性能發生變化，驅動能力不足致使通訊不正常。一般來說，工程中一條鏈路所帶DDC設備不應超過芯片承載能力的70%，如設備標出的通訊能力為32個，在工程上實際安裝數量不超過21個時為可靠狀態；如果實際數量超過21個，應選擇驅動能力強的設備，或另外增加一條通訊鏈路。

3 結束語

通訊故障在每一個工程中都有可能發生，由于每個工程采用的設備、材料和工程現場都不相同，產生的原因也會有所差異。有些明顯故障只要認真檢查可以直觀發現，有些隱性故障則不容易被發現；有時是單項原因，有時是綜合原因。通訊故障雖然不會造成重大經濟損失，但是會影響控制系統的正常運行，其危害是不容忽視的。因此需要對每一種情況進行具體分析，才能得出正確結論，徹底排除故障。

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