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*后一位同电能表应答的数据帧的**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,**帧通讯成功,**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**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**,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*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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