在電能表中的應(yīng)用
由于歷史的原因，我國(guó)在制定DL／T614－1997《電子式多功能電能表》及DL／T645－1997《電子式多功能電能表通訊協(xié)議》時(shí)將RS－485標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口作為電表的通訊接口，并詳細(xì)地定義了物理層、鏈路層、應(yīng)用層，結(jié)束了以前電表廠家規(guī)約各不兼容、互相不能抄的尷尬局面。各電表廠家遵循相同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電表進(jìn)行讀寫操作，簡(jiǎn)化了電表抄表應(yīng)用及維護(hù)的工作量。使得國(guó)內(nèi)的智能電表基本上可以做到互聯(lián)互通。但是目前國(guó)內(nèi)的485抄表還存在一些問(wèn)題，主要是通信成功率低、不能做到即連即通、易損壞等。
RS485通訊接口物理層、鏈路層及數(shù)據(jù)傳輸
1. 物理層
A）共模輸入電壓：－7V～＋12V。
B）差模輸入電壓：大于0．2V。
C）三態(tài)方式輸出。
D）半雙工通信方式。
E）驅(qū)動(dòng)能力不小于32個(gè)同類接口。
F）總線是無(wú)源的，由費(fèi)率裝置或數(shù)據(jù)終端提供電源。
G）邏輯“1”以A、B兩線間的電壓差為＋（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為－（2～6）V表示。
2. 鏈路層及數(shù)據(jù)傳輸
通訊鏈路的建立與解除由主站發(fā)出的信息幀來(lái)控制。幀由起始符、地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)碼及結(jié)束符等7個(gè)域組成，每部分由若干字節(jié)組成。DL／T645－1997規(guī)定，在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送1～4個(gè)字節(jié)FEH，其目的是預(yù)先拉高控制總線，以喚醒接收方，保障幀信息的順利接收。DL／T645－1997規(guī)定了主—從結(jié)構(gòu)的半雙工通訊方式。每次通訊都是由主站向從站發(fā)出請(qǐng)求命令幀開始，從站根據(jù)要求作出響應(yīng)。收到命令幀后的響應(yīng)延時(shí)稱作幀間延時(shí)Td：20ms≤Td≤500ms。字節(jié)之間停頓時(shí)間稱作字節(jié)間延時(shí)Tb：Tb≤500ms。
RS485在電表通訊中的常見問(wèn)題及解決方案
1. 收發(fā)時(shí)序不匹配
現(xiàn)象1：485通訊不成功，用邏輯分析儀查看，發(fā)送的碼字正確，電能表返回碼字也符合規(guī)約。再細(xì)看，主站發(fā)送的碼字的最后一位同電能表應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀的第一位之間幾乎沒(méi)有停頓。
分析：由于485總線是一個(gè)半雙工的通訊方式，收和發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，從發(fā)送完成到變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，無(wú)論是軟件的處理抑或是硬件的切換都需要一定的延時(shí)，因此DL／T645規(guī)定幀間延時(shí)Td：20ms≤Td≤500ms，主要是給發(fā)送方一個(gè)由發(fā)轉(zhuǎn)為收的時(shí)間，保證接收方返回的數(shù)據(jù)能完整的被接收。而有些電能表，尤其是一些早期的多功能表對(duì)此考慮不夠，在接收到主站的請(qǐng)求命令幀后，未進(jìn)行幀響應(yīng)延時(shí)，就立刻發(fā)送應(yīng)答幀，而此時(shí)主站還處于發(fā)送狀態(tài)，等主站返回到接收狀態(tài)時(shí)，電能表前面的碼字已發(fā)送完，主站接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀不完整引起通信失敗。
現(xiàn)象2：當(dāng)主站對(duì)某塊表連續(xù)抄幾幀數(shù)據(jù)時(shí)，第一幀通訊成功，第二幀開始電表不回應(yīng)答幀。
分析：同樣的道理，電表的485由發(fā)轉(zhuǎn)為收也需要延時(shí)，而有的主站軟件編程時(shí)，沒(méi)有考慮，接收完一幀數(shù)據(jù)后沒(méi)有延時(shí)或延時(shí)不夠就又開始抄下一幀，而此時(shí)電表還沒(méi)有回到接收狀態(tài)，通訊失敗。在這里我們建議通信雙方在編程時(shí)都必須嚴(yán)格遵守DL／T645所規(guī)定的幀間延時(shí)，并留有余量，具體應(yīng)用時(shí)可取一個(gè)中間值，如100ms。
2. 判斷幀起始符出錯(cuò)
對(duì)于電能表485總線來(lái)講，它是一種數(shù)字異步通信方式。異步通信不象同步通信，其沒(méi)有專門的同步信號(hào)進(jìn)行同步，接收方無(wú)法準(zhǔn)確判知哪一個(gè)字節(jié)是一幀數(shù)據(jù)通信的開始，因此DL／T645中規(guī)定68H作為幀起始符（幀同步碼），代表一幀數(shù)據(jù)的開始。有些主站和電能表在軟件編程時(shí)考慮得比較理想，接收數(shù)據(jù)時(shí)未按照DL／T645中規(guī)定68H來(lái)判定數(shù)據(jù)幀的開始，而是呆板的以接收到的第一個(gè)字符作為幀起始標(biāo)志；如果電表在此幀數(shù)據(jù)之前發(fā)了幾個(gè)FEH，其接收到的數(shù)據(jù)將會(huì)出現(xiàn)同步錯(cuò)誤。另外，如總線上平時(shí)有干擾信號(hào)存在，導(dǎo)致485芯片不停地收到諸如FCH、DEH這樣雜亂數(shù)據(jù)；當(dāng)總線上有正常信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，由于干擾信號(hào)比較小的原因，其對(duì)通信并無(wú)太大的影響，但對(duì)接收方來(lái)講，其接收正確數(shù)據(jù)幀前會(huì)混有若干個(gè)字節(jié)的雜亂數(shù)據(jù)，由于同步處理不當(dāng)，通訊也會(huì)失敗。通常的做法是每接收一個(gè)字節(jié)都要判是否是68H，若不是則丟掉該字節(jié)，然后繼續(xù)往下判，直到收到68H才啟動(dòng)一幀數(shù)據(jù)的接收。
3. 幀奇偶校驗(yàn)位／幀結(jié)束符不合理
目前看來(lái)，由于這個(gè)原因引起485通信不成功占有很大的比例。我們知道，在485通信時(shí)，對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)一般都會(huì)按收、發(fā)雙方事先約定的奇偶校驗(yàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯(cuò)，并將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀剔除，等待發(fā)送方重發(fā)。這種ARQ的通信方式本身是無(wú)可厚非的，但是有的軟件人員在編程時(shí)考慮問(wèn)題不夠全面，在判斷一幀結(jié)束處理時(shí)，沒(méi)有根據(jù)所收數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度和結(jié)束符“16H”及時(shí)地將數(shù)據(jù)接收任務(wù)結(jié)束，而是依據(jù)多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)收不到新的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)認(rèn)為一幀已收完。這種處理方法在下面這種情況下就會(huì)導(dǎo)致通信失敗。
眾所周知，RS485芯片的接收靈敏度為±200mV，即當(dāng)電壓UA—UB≥200mV時(shí)，輸出邏輯“1”；UA—UB≤－200mV時(shí)，輸出邏輯“0”。當(dāng)－200mV＜UA—UB＜200mV時(shí)，輸出不確定。這樣一來(lái)，當(dāng)總線上所有的485芯片均處于接收狀態(tài)時(shí)，總線處于高阻狀態(tài)，此時(shí)A、B間的壓差為0V，芯片輸出處于不定狀態(tài)，可能輸出“1”，也可能輸出“0”，而且狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間而變化。如果輸出為“0”，在某些時(shí)候則會(huì)導(dǎo)致通信失敗。我們知道，電能表在發(fā)送完應(yīng)答幀后，一般會(huì)馬上從發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。正常情況應(yīng)該是：主站的485芯片收完最后一個(gè)字節(jié)的停止位后繼續(xù)保持為“1”（波形見圖2），而有的485芯片則可能跳變保持為“0”（波形見圖3），UART（通用異步收發(fā)器）則認(rèn)為又收到一個(gè)字節(jié)00H，且很有可能校驗(yàn)和是錯(cuò)的，這樣接收軟件可能會(huì)判斷到一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)位出錯(cuò)，而將前面接收完全正確的一幀丟掉，造成通信失敗。
4. 接口電路不合理
由于485在實(shí)際使用中存在這樣或那樣的問(wèn)題，人們對(duì)其接口電路采取了各種保護(hù)、濾波措施。如加上保護(hù)二極管、熱保險(xiǎn)絲、電容、上拉電阻等（見圖4），這些措施有的有效，但有的無(wú)效甚至有害。
485總線的理想介質(zhì)是雙絞線，其等效阻抗約為120Ω，因此為了在長(zhǎng)距離、高速通信時(shí)做到阻抗匹配，一般在電表的485的A、B線之間加一個(gè)120Ω的電阻。此種方式對(duì)于一對(duì)一的通信是實(shí)用的，但一對(duì)多時(shí)，如果每個(gè)電表內(nèi)部均加一個(gè)120Ω的電阻，并在一起整個(gè)總線上的負(fù)載就很重，這樣掛在總線上的485收發(fā)器就可能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量32個(gè)，且距離也會(huì)縮短。因此，只應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)和終點(diǎn)各加一個(gè)。
有的產(chǎn)品為了濾波而在A、B線對(duì)地加上電容，現(xiàn)在看來(lái)這樣會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。電容加小了不起作用；加大了，正常的信號(hào)會(huì)被濾除或造成波形失真。我們?cè)?jīng)做過(guò)試驗(yàn)，以1200bps通信時(shí)，0．1μF的電容就會(huì)影響通信的成功率。如果通信速率達(dá)到幾百kbps，電容就不能加了。
485總線處于懸浮狀態(tài)時(shí)A、B線等電位。為了保證A比B高200mV以上，有的廠家將A、B線分別通過(guò)10k電阻上拉到5V、下拉到地，這樣在都處于接收狀態(tài)時(shí)，A、B間的電位差約為5V，485芯片的接收端為高，通信不受影響。這個(gè)想法是好的，但是實(shí)際組網(wǎng)中往往好幾個(gè)廠家的表連在一起，如別的表中加了120Ω電阻，則上拉電阻、120Ω、下拉電阻之間構(gòu)成分壓關(guān)系，A、B線間的電壓只有幾十毫伏，接收端的電平還是不定。
目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的單片機(jī)大部分只有一個(gè)UART串口，而電能表一般均需一個(gè)485接口和一個(gè)紅外光接口，受成本所限，有的廠家就將這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)線與、線或的方式合在一起共用一個(gè)UART口。這樣就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)紅外通信時(shí)，485就會(huì)不通；另外，當(dāng)紅外收到各種可見光的干擾時(shí)，紅外口不停地輸出干擾信號(hào)，由于線與、線或邏輯的原因，485不能通信或485時(shí)通時(shí)不通。
5. 結(jié)束語(yǔ)
485接口目前在國(guó)內(nèi)電能計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、能量管理系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣，是電能量采集自動(dòng)化的基礎(chǔ)，它的可靠性越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員和用戶的重視。我們相信，隨著技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用的深入，其必將充分展現(xiàn)自身的特點(diǎn)而廣為應(yīng)用。
---- 李庚清
