根據在研製節能燈壽命檢測系統中，實際檢測環境傳輸數據量大，實時性強的特點，對物理總線的拓撲結構和通信協議提出要求。採用零延時RS一485接口電路，邏輯上採用主從式網絡結構，物理結構上採用星型網絡拓撲結構；設計出一種支持主從式網絡結構的485HUB，經過通信協議的幀校驗和幀超時的設計，進一步提高軟件抗干擾的能力。測試結果表明，系統穩定可靠，抗干擾能力強。
關鍵詞 零延時 RS一485 節能燈壽命檢測
1、概述
RS一485接口是一種基於平衡發送和差分接收的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠；同時易於進行網絡擴展，被廣泛的應用在很多工業現場。
節能燈壽命檢測環境中，主要干擾來自開關和壽命檢測的強電干擾、開關產生的電磁干擾、空氣循環設備的干擾等等；同時由於壽命檢測環境溫度高，強電系統複雜，也給系統的運行提出更高的要求。壽命檢測系統要求實時報告每一盞節能燈的運行狀態、環境溫度、電壓等，並在壽終計算出節能燈壽命、光通等參數。可見系統的傳輸數據量大，實時性強，因此物理總線的拓撲結構和通信協議尤爲關鍵。
2、接口設計
良好的接口設計，應該在硬件上保證系統有良好的抗干擾性、穩定性和易擴展性。本系統選用了性價比很高的半雙工接口芯片SN65HVD3082。它具有以下特點[1]：
①滿足或超出TIA/EIA-485A標準的要求；
②低靜態電流消耗——有效模式爲小於0.3 mA，關閉模式爲l nA；
③優化的驅動器輸出信號，傳輸率達200kbps時保持低EMI；
④1/8單元負載——1條總線上多達256個節點；
⑤總線引腳ESD保護超過16 kv；
⑥工業標準SN75176覆蓋範圍；
⑦失效保護功能。
基於SN65HVD3082的RS-485接口電路，通常有三種方案。
(1)直接控制收發的RS-485接口電路
此方法使用控制器切換髮送使能和接收使能端，控制接口電路數據的發送和接收。由於採用直接收發，因此需要發送和接收時的轉換，只能加入額外的控制器來控制發送和接收的轉換；同時，需要用控制器存儲轉發所有的傳輸數據，這樣，每傳輸1幀數據，至少損失1個單位的接收時間(儲存轉發1幀數據的時間)。此方案不利於數據量大的實時通信，而且在發送和接收的切換過程中，在VA和VB(VA和VB分別是Rs一485總線的A、B端的電壓)有階躍電壓的產生。這個階躍電壓對接收器的接收有干擾產生。
(2)自動收發轉換的RS-485接口電路
圖l所示的虛線框中爲接口電路，通過對真值表進行分析，其發送和接收過程爲：
當發送端DI=O時，DE/RE=1發送O電平，接收端RO=O；當發送端DI=1時，DE/RE=0，VA=VB=2.5V，接收端由於上拉電阻的作用RO=1。
在此接口電路的TXo端加入1kHz的TTL方波對電路進行測試。未加入120Ω端電阻時，接口芯片的485-A和485-B腳都有約50μs的電壓變化過程，如圖2所示。接收端Ro波形的上升沿有明顯的延遲約30～40μs(和數據發送端DI比較)，造成很大的傳輸誤差；加入120Ω端電阻時，延遲明顯縮小，約3μs。
此電路在發送高電平時，發送器處於高阻狀態，總線上所有接口處於接收狀態，總線是空閒的，允許其他接口發送數據，因此容易引入總線衝突。特別是連續發送商電平比特時，發送器處於高阻狀態的時間越長，引入總線衝突的機率就越大。
(3)零延時的RS-485接口電路
零延時RS-4185接口電路主要採用74HCl4和電路中的電阻、電容等元件構成一個延時很短的電路，其主要作用是：
①發送器在發送高電平的時候，在短延時內不再是處於高阻狀態，仍有驅動電流存在，這樣在一定程度上可以增加接口的抗干擾能力。
②從真值表可以看出．對於接收器，當VID=VA-VR≥一O.01 V時，RO=1；在發送端，當DE/RE=0，發送驅動器的VA和VB都是高阻態，此時VA=VB=2.5V，因此，這時對於接收端RO=1；而在短延時的時間內，由千DI=1且DE/RE=1．所以RO=1．可見在短延時和DE/RE=0的時間內接收端RO=l，這樣就完成了對高電平的發送和接收，而且在接收端的上升沿不會有延遲，即零延時，如圖3所示。
把圖l中自動收發轉換的RS-485接口電路換成零延時的RS-485接口電路，如圖4所示。同樣在TX0端加入1 kHz的方波對電路進行測試，結果是接收端RO的上升沿不會有延遲。這和是否接入120Ω的端電阻沒有關係，證實了以上的分析。
圖2、3中虛線箭頭指向處的電壓爲2.5 V。
圖4中，根據系統所確定的傳輸速度來選擇R3和C0參數，以達到零延時。傳輸速度越高，延時越小。這裏選擇R3=22 kΩ，C0=1000 pF。
自動收發轉換的RS-4t85接口電路和零延時的RS-485接口電路都有不足之處，即在發送端發送連續的高電平時，邏輯上發送端是處於發送狀態，接收端處於接收狀態；但實際上，此時所有SN75HVl53082接口的DE/RE=0，所以，所有的發送端和接收端都處於接收狀態。這在對等的網絡結構中是不能忽視的，因爲在這段時間內，總線是空閒的，是允許節點發送數據的。
這裏採用的是主從式的網絡結構，因此這個問題不會影響系統工作。
3、網絡拓撲結構
網絡拓撲結構的設計是根據壽命檢測系統的實際需要提出的，設計目標是：滿足lO個壽命架，每個壽命架64個節點的檢測要求，在硬件和軟件上做到容易擴展，走線合理。因此邏輯上採用主從式網絡結構，物理結構上採用星型拓撲結構，如圖5所示。這個拓撲結構有兩級總線，主要由以下設備組成：
①RS-232轉RS-485。實現RS-232到RS-485電氣信號的轉換，這是第一級RS-485總線。
②10口的485HIJB(集線器)。如圖6所示，485HUB是由1個主機和10個從機的零延時的RS-485接口組成，這是在邏輯上實現主從式結構的基礎。當主機端下行發送數據時，連接在10個從機接口上的所有接口都可以接收到數據；而當某個從機接口上掛接的節點上行發送數據時，只有主機節點(PS端)和掛接在同一個從機接口上的其他節點可以接收到數據。這是第二級RS-485總線。
③單片機節點。有4種節點，即節能燈狀態採集節點、溫度採集節點、供電電壓採集節點和模式控制節點。每個單片機節點的通信接口都採用零延時的RS-485接口電路，每一個節點都有自己的地址，用於PC端尋址。
理論上，SN75HVD3082的一條總線可以連接多達256個節點，因此在每個從機接口上可以擴展更多的節點；同時在RS-232轉RS-485轉換器的總線上也可以連接更多的485HUB。這樣就可以實現硬件上的擴展。
4、通信協議
採用9600 bps的波特率，固定長度幀結構，幀長度10字節。幀信息定義如下：幀頭(0x55 0xAA)、命令(1字節)、數據(4字節)、從機地址(2字節)、校驗(1字節)。
在通信協議中採用幀校驗和幀超時，以達到軟件抗干擾的目的。
①幀校驗：採用累加和校驗。在發送時，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個域相加並取最低字節填充到校驗域。如果節點不處於接收狀態，則啓動發送，否則等待；如果在未超時，並完整地接收到10字節時，把幀頭、命令、數據、從機地址幾個域相加，並與校驗域比較，相同表示成功接收到1幀數據。
②幀超時：幀超時定義是，在接收到第一個字節時，進入接收狀態，並設置8ms定時，以後每接收到一個字節，重置8ms定時。正常情況下，接收一個字節約1 ms時間。如果超過8ms，則退出接收狀態，丟棄當前接收幀，回到空閒狀態，等待下一幀的接收。
在程序設計中，幀超時的定義與程序的架構和波特率有關，原則上只要大於1個字節的接收時間就可以了。這裏選擇8ms與程序的架構有關。
5、測試結論和應用前景
在設置了所有節點的地址後，即可在現場對系統進行測試。測試方案是，在PC機端運行測試軟件，約每隔50ms發送一次測試命令輪詢所有的節點。每一次發送都要求有數據返回，否則視爲通信錯誤。軟件連續運行7天，沒有發現錯誤，說明系統穩定可靠。
目前設計的節能燈壽命檢測系統已經在現場成功投入使用，運行效果良好。此系統設計思想對於設計具有大量節點、大數據量的實時智能檢測系統起到借鑑作用，在自動化檢測領域中將有較爲廣泛的應用價值。