485总线在电能表使用中的常见问题及分析

1 在电能表中的应用
  由于历史的原因,我国在制定DL/T614-1997《电子式多功能电能表》及DL/T645-1997《电子式多功能电能表通讯协议》时将RS-485标准串行通讯接口作为电表的通讯接口,并详细地定义了物理层、链路层、应用层,结束了以前电表厂家规约各不兼容、互相不能抄的尴尬局面。各电表厂家遵循相同的协议标准对电表进行读写操作,简化了电表抄表应用及维护的工作量。使得国内的智能电表基本上可以做到互联互通。但是目前国内的485抄表还存在一些问题,主要是通信成功率低、不能做到即连即通、易损坏等。

2 物理层、链路层及数据传输
2.1 物理层

  A)共模输入电压:-7V~+12V。
  B)差模输入电压:大于0.2V。
  C)三态方式输出。
  D)半双工通信方式。
  E)驱动能力不小于32个同类接口。
  F)总线是无源的,由费率装置或数据终端提供电源。
  G)逻辑“1”以A、B两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。
2.2 链路层及数据传输
  通讯链路的建立与解除由主站发出的信息帧来控制,帧的组成如表:

  由上表可知,帧由起始符、地址域、控制码、数据长度、数据域、校验码及结束符等7个域组成,每部分由若干字节组成。
  DL/T645-1997规定,在发送帧信息之前,先发送1~4个字节FEH,其目的是预先拉高控制总线,以唤醒接收方,保障帧信息的顺利接收。
  DL/T645-1997规定了主—从结构的半双工通讯方式。每次通讯都是由主站向从站发出请求命令帧开始,从站根据要求作出响应。收到命令帧后的响应延时称作帧间延时Td:20ms≤Td≤500ms。字节之间停顿时间称作字节间延时Tb:Tb≤500ms。如图1所示:

3 RS485在电表通讯中的常见问题及解决方案
3.1 收发时序不匹配

  现象1:485通讯不成功,用逻辑分析仪查看,发送的码字正确,电能表返回码字也符合规约。再细看,主站发送的码字的蕞后一位同电能表应答的数据帧的第一位之间几乎没有停顿。
  分析:由于485总线是一个半双工的通讯方式,收和发不能同时进行,从发送完成到变为接收状态,无论是软件的处理抑或是硬件的切换都需要一定的延时,因此DL/T645规定帧间延时Td:20ms≤Td≤500ms,主要是给发送方一个由发转为收的时间,保证接收方返回的数据能完整的被接收。而有些电能表,尤其是一些早期的多功能表对此考虑不够,在接收到主站的请求命令帧后,未进行帧响应延时,就立刻发送应答帧,而此时主站还处于发送状态,等主站返回到接收状态时,电能表前面的码字已发送完,主站接收到的应答数据帧不完整引起通信失败。
  现象2:当主站对某块表连续抄几帧数据时,第一帧通讯成功,第二帧开始电表不回应答帧。
  分析:同样的道理,电表的485由发转为收也需要延时,而有的主站软件编程时,没有考虑,接收完一帧数据后没有延时或延时不够就又开始抄下一帧,而此时电表还没有回到接收状态,通讯失败。在这里我们建议通信双方在编程时都必须严格遵守DL/T645所规定的帧间延时,并留有余量,具体应用时可取一个中间值,如100ms。
3.2 判断帧起始符出错
  对于电能表485总线来讲,它是一种数字异步通信方式。异步通信不象同步通信,其没有专门的同步信号进行同步,接收方无法准确判知哪一个字节是一帧数据通信的开始,因此DL/T645中规定68H作为帧起始符(帧同步码),代表一帧数据的开始。有些主站和电能表在软件编程时考虑得比较理想,接收数据时未按照DL/T645中规定68H来判定数据帧的开始,而是呆板的以接收到的第一个字符作为帧起始标志;如果电表在此帧数据之前发了几个FEH,其接收到的数据将会出现同步错误。另外,如总线上平时有干扰信号存在,导致485芯片不停地收到诸如FCH、DEH这样杂乱数据;当总线上有正常信号产生时,由于干扰信号比较小的原因,其对通信并无太大的影响,但对接收方来讲,其接收正确数据帧前会混有若干个字节的杂乱数据,由于同步处理不当,通讯也会失败。通常的做法是每接收一个字节都要判是否是68H,若不是则丢掉该字节,然后继续往下判,直到收到68H才启动一帧数据的接收。
3.3 帧奇偶校验位/帧结束符不合理
  目前看来,由于这个原因引起485通信不成功占有很大的比例。我们知道,在485通信时,对于接收到的数据一般都会按收、发双方事先约定的奇偶校验方式进行数据检错,并将错误的数据帧剔除,等待发送方重发。这种ARQ的通信方式本身是无可厚非的,但是有的软件人员在编程时考虑问题不够全面,在判断一帧结束处理时,没有根据所收数据帧的长度和结束符“16H”及时地将数据接收任务结束,而是依据多长时间内收不到新的一个字节数据来认为一帧已收完。这种处理方法在下面这种情况下就会导致通信失败。
  众所周知,RS485芯片的接收灵敏度为±200mV,即当电压UA—UB≥200mV时,输出逻辑“1”;UA—UB≤-200mV时,输出逻辑“0”。当-200mV<UA—UB<200mV时,输出不确定。这样一来,当总线上所有的485芯片均处于接收状态时,总线处于高阻状态,此时A、B间的压差为0V,芯片输出处于不定状态,可能输出“1”,也可能输出“0”,而且状态会随着时间而变化。如果输出为“0”,在某些时候则会导致通信失败。我们知道,电能表在发送完应答帧后,一般会马上从发送状态转换到接收状态。正常情况应该是:主站的485芯片收完蕞后一个字节的停止位后继续保持为“1”(波形见图2),而有的485芯片则可能跳变保持为“0”(波形见图3),UART(通用异步收发器)则认为又收到一个字节00H,且很有可能校验和是错的,这样接收软件可能会判断到一个字节校验位出错,而将前面接收完全正确的一帧丢掉,造成通信失败。


3.4 接口电路不合理
  由于485在实际使用中存在这样或那样的问题,人们对其接口电路采取了各种保护、滤波措施。如加上保护二极管、热保险丝、电容、上拉电阻等(见图4), 这些措施有的有效,但有的无效甚至有害。


  A 485总线的理想介质是双绞线,其等效阻抗约为120Ω,因此为了在长距离、高速通信时做到阻抗匹配,一般在电表的485的A、B线之间加一个120Ω的电阻。此种方式对于一对一的通信是实用的,但一对多时,如果每个电表内部均加一个120Ω的电阻,并在一起整个总线上的负载就很重,这样挂在总线上的485收发器就可能达不到标准的数量32个,且距离也会缩短。因此,只应在网络的起点和终点各加一个。
  B 有的产品为了滤波而在A、B线对地加上电容,现在看来这样会带来问题。电容加小了不起作用;加大了,正常的信号会被滤除或造成波形失真。我们曾经做过试验,以1200bps通信时,0.1μF的电容就会影响通信的成功率。如果通信速率达到几百kbps,电容就不能加了。
  C 同前面3.3所述,485总线处于悬浮状态时A、B线等电位。为了保证A比B高200mV以上,有的厂家将A、B线分别通过10k电阻上拉到5V、下拉到地,这样在都处于接收状态时,A、B间的电位差约为5V,485芯片的接收端为高,通信不受影响。这个想法是好的,但是实际组网中往往好几个厂家的表连在一起,如别的表中加了120Ω电阻,则上拉电阻、120Ω、下拉电阻之间构成分压关系,A、B线间的电压只有几十毫伏,接收端的电平还是不定。
  D 目前国内应用的单片机大部分只有一个UART串口,而电能表一般均需一个485接口和一个红外光接口,受成本所限,有的厂家就将这两个信号通过线与、线或的方式合在一起共用一个UART口。这样就带来一个问题,当红外通信时,485就会不通;另外,当红外收到各种可见光的干扰时,红外口不停地输出干扰信号,由于线与、线或逻辑的原因,485不能通信或485时通时不通。

4 结束语
  485接口目前在国内电能计量、数据采集、能量管理系统中应用越来越广,是电能量采集自动化的基础,它的可靠性越来越受到设计人员和用户的重视。我们相信,随着技术的发展、应用的深入,其必将充分展现自身的特点而广为应用。


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