彈上RS485總線通訊質量研究*

崔玉江，邵云峰，喬道鵬

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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測試、發(fā)控技術

彈上RS485總線通訊質量研究*

崔玉江，邵云峰，喬道鵬

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：RS485總線因其電路簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點廣泛應用于導彈型號，隨著導彈性能的提升，對彈上總線通訊的可靠性提出了更高要求。結合RS485總線在導彈型號的應用情況，制作了不同拓撲結構的總線電纜，進行了總線通訊特性研究，分析了影響彈上RS485總線通訊質量的因素，結合試驗研究，提出了提高彈上RS485總線通訊質量的方法。

關鍵詞：彈上；RS485總線；通訊質量；總線匹配；誤碼；可靠性

0引言

RS485總線在導彈彈上信息交互中起著至關重要的作用，隨著導彈低成本、低功耗、高裝填密度、輕小型化、精確制導和精確高效殺傷等技術的發(fā)展，彈上設備組成越來越復雜，信息交互頻率和實時性要求越來越高，交互的數據量越來越大，而彈上RS485總線面臨的環(huán)境越來越復雜，型號研制中經常出現總線通訊丟幀和誤碼等情況，也曾因此導致過飛行試驗失敗，因此彈上總線的通訊質量關乎著導彈飛行成敗，其重要性日益凸現。

1RS485總線在導彈的應用

RS485是一種串行數據接口標準，由電子工業(yè)協會(electronics industry association,EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS422基礎上制定的標準。RS485標準采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器驅動總線[1-2]，RS485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通訊協議[3]。因而，RS485總線在彈上得到了廣泛的應用。采用RS485串行總線的彈上實時信息處理系統的結構框圖如圖1所示。

圖1　彈上RS485總線通訊示意圖Fig.1　RS485 bus communication in missile

導引頭、慣性測量組合、主控計算機、應答機、電氣控制裝置等設備通過RS485串行總線進行連接。彈上主控計算機為主站，其它設備為從站，主站負責整個網絡，并調度和管理其它從站設備進行工作。

主站可以選擇任意一個從站進行通訊，構成通訊的雙方。選中的從站既可以接收來自主站的信息，也可以向主站發(fā)送信息，從而構成彈上RS485總線的通訊過程。

由于EIA未給出RS485總線的具體實現方法，在彈上總線線纜的實現方面，存在若干影響信號傳輸的因素，其中，總線拓撲結構和總線匹配是較為重要的影響因素之一。

2彈上總線通訊特性研究

2.1總線拓撲結構

總線連接方式分為串聯總線型和分支總線型兩種拓撲結構，根據工藝和連接方式的不同，對應的總線通訊電纜分別稱為拉手式和繞焊式，如圖2所示。目前，這2種方式在彈上都有所應用。

分別用SZE系列導線制作了拉手式、繞焊式總線電纜，用KD24系列導線制作了拉手式總線電纜,電纜長度均為1.5 m，在總線的2個終端分別連接100 Ω匹配電阻。不同總線拓撲結構的彈上設備連接關系如圖3所示。

圖2　RS485總線連接方式示意圖Fig.2　Connection type of RS485 bus

圖3　不同總線拓撲結構下各設備連接關系圖Fig.3　Equipment connection with different topology bus structures

用示波器采集上述不同連接方式下的總線通訊波形，采集的波形如圖4所示，從通訊波形圖中可以看出，同樣用SZE導線制作的總線電纜，拉手式較繞焊式總線電纜的通訊波形稍好一些，即串聯型總線較分支型總線的通訊質量要高。

2.2總線匹配分析

將SZE導線制作的拉手式總線電纜和KD24導線制作的拉手式總線電纜進行總線匹配分析。利用阻抗分析儀，在電纜的其中一個終端節(jié)點處測量2種電纜的特性阻抗，測試結果為：SZE拉手式總線電纜特性阻抗為45 Ω，KD24拉手式總線電纜特性阻抗為113 Ω。測試結果均與廠家標稱值相當。

分別用SZE拉手式總線電纜和KD24拉手式總線電纜將彈上各設備連接，組成串聯型總線結構，用示波器分別采集總線通訊波形，如圖5所示?？梢奒D24導線制作的拉手式總線電纜的通訊波形要明顯優(yōu)于SZE導線制作的拉手式總線電纜。

KD24型導線制作的總線電纜，搭配100Ω的終端匹配電阻，總線的特性阻抗相當，因而總線通訊質量更佳。因此，為減小高速傳輸信號的反射，應保證通訊通道的阻抗連續(xù)性，即終端電阻的阻值、電纜的特性阻抗應匹配，這樣更有利于通訊質量的改善。

3RS485總線通訊質量影響因素分析

3.1誤碼率影響

彈上RS485總線通訊就是通過彈上總線進行數據交換(以0,1形式表示)的過程。對于二進制數字信號誤碼的定義為：發(fā)送“1”，接收“0”，或者發(fā)送“0”，接收“1”，即為發(fā)生了比特錯誤，稱之為誤碼，誤碼率(BER)就是出現誤碼的概率。在RS485總線中，誤碼率是描述數字電路系統性能的最重要的參數，是反映數據傳輸設備質量和信道工作質量的一個重要指標[4]。當彈上RS485總線出現誤碼時，會影響彈上信息傳遞，甚至會出現錯誤的邏輯，從而影響導彈的飛行。一般來說，彈上RS485總線的誤碼率優(yōu)于10-7。彈上總線拓撲結構不合理、總線阻抗不匹配都會導致誤碼的出現。

某型號在綜合測試時，經常會出現通訊錯誤，經測試誤碼率為2×10-5，后將總線電纜更改為拉手串聯總線并進行了特性阻抗匹配，匹配電阻115Ω，用誤碼率測試儀進行了2 h的測試，未出現誤碼，即誤碼率基本為0，將該總線電纜應用于彈上，測試正常，不再出現通訊錯誤。

圖4　總線電纜通訊實測波形圖Fig.4　Communication waving chart of bus cable

圖5　總線電纜通訊實測波形圖Fig.5　Communication waving chart of bus cable

3.2總線信號反射影響

在RS485總線通訊過程中，阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配會導致信號反射[5]。傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(huán)境有關，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的存在阻抗不連續(xù)引起的反射。

信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤[6]。信號反射會使彈上總線通訊信號形成過沖，導致信號波形在邏輯門限附近波動。信號在跳變的過程中可能跨越邏輯電平門限，多次跨越邏輯電平門限則會導致邏輯功能紊亂，從而導致總線通訊質量的下降。

3.3碼間串擾

RS485總線通訊中，設備器件及濾波等會使脈沖拖寬,并重疊到鄰近的時隙中去。當總線接收端的各點進行抽樣時,以抽樣時刻測定的信號幅度為依據進行判決,恢復出原脈沖的消息，若重疊到鄰接時隙內的信號太強，可能發(fā)生錯誤的判斷[7]。若相鄰的脈沖的拖尾相加超過判決門限,則會使發(fā)送的“0”判斷為“1”。實際中可能出現好幾個鄰近脈沖的拖尾疊加,這種脈沖重疊并在接收端造成判決困難的現象叫做碼間串擾。碼間串擾的示意圖如圖6所示。

圖6　碼間串擾示意圖Fig.6　Symbol interference

碼間串擾主要是由噪聲和傳輸特性不良引起的，它會使總線通訊質量下降，造成數據判讀錯誤。

3.4其他噪聲影響

彈上RS485采用差分方式傳輸信號，收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7～+12 V)的條件下才能正常工作。當共模電壓超出此范圍就會影響通訊質量，直至損壞接口。

如圖7所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數據時，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于2個系統具有各自獨立的接地系統，存在著地電位差VGPD，接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS485標準規(guī)定VOS≤3 V，但VGPD可能會有很大的幅度(十幾伏甚至數十伏)，并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號線上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞接口[8]。

圖7　地電位差導致共模干擾Fig.7　Common mode interference reflecting by ground potential difference

此外，RS485總線通訊還會受到彈上復雜的電磁環(huán)境的干擾，信號會經受不同噪聲的影響，這些都會對彈上正常通訊產生影響。

4提高彈上RS485總線通訊質量方法及建議

4.1RS485總線的拓撲結構選擇

RS485支持32個節(jié)點，為多節(jié)點構成網絡。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環(huán)形或星形網絡[9-10]。在構建網絡時，應采用雙絞線電纜，將各個節(jié)點串接起來。圖8所示為實際應用中常見的一些錯誤連接方式(a)，b)，c))和正確的連接方式(d)，e)，f))。由上述的SZE串接總線電纜(圖8c))和SZE分支總線電纜(圖8f)的通訊質量便可得到驗證。

圖8　RS485總線的拓撲結構Fig.8　Topological structure of RS485 bus

目前，在彈上RS485總線結構中，采用的總線拓撲方式不盡相同，其中a)，b)，c)拓撲方式會隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，容易形成碼間串擾和誤碼，因而造成信號質量下降，從而會影響彈上RS485總線通訊的可靠性。

因此，對于彈上RS485總線應盡量采用圖8中d)，e)，f)所示的串接型拓撲結構，從而減少誤碼率和碼間串擾的影響。

4.2總線匹配設計

減小總線信號反射的主要途徑就是在RS485總線的2個終端跨接電阻進行終端匹配[11]，目前RS485總線的匹配電阻一般為100～120 Ω。如圖9所示的電阻R7。

圖9　彈上RS485總線接口電路示意圖Fig.9　RS485 bus interface circuit in missile

在實際應用中，雖然彈上統一要求各個設備的接口一致，但總線電纜的長度、電纜所用導線牌號及總線傳輸的速率不盡相同。在彈上RS485總線長度變化不大、傳輸速率相差不大的情況下，總線電纜所用導線牌號，即總線電纜的特性阻抗成為影響彈上RS485總線通訊質量的關鍵因素。

根據總線通訊反射理論，當總線電纜特性阻抗與終端電阻阻抗完全相等時，可有效的消除信號反射。因此，在進行彈上RS485總線電阻匹配時，應該根據采用的總線電纜的特性阻抗選取合適的電阻進行匹配，即在彈上總線的2個通訊終端盡量選用阻值與總線電纜特性阻抗數值相等或接近的電阻。

4.3總線接地設計

RS485總線驅動器輸出信號中的干擾需要一個返回通路，如果沒有一個低阻的返回通道(信號地),就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波[12]。從而影響整個彈上通訊網絡的穩(wěn)定性，整個導彈的電磁兼容性就會受到影響。

為了有效的抑制彈上總線的電磁輻射對整個系統的影響，彈上RS485總線通訊電纜屏蔽層應采用雙端接地方式，即在總線各個設備的接口處將雙絞線的屏蔽層接到總線連接器的接地點。采用總線接地方式，同樣可以避免彈上其他電磁輻射對RS485總線通訊的影響。

4.4總線穩(wěn)定輸出保護

RS485標準規(guī)定了接收器門限為±200 mV[13]，具有比較高的噪聲抑制能力。但由于彈上主控計算機在發(fā)送端發(fā)完一個信息數據后，會將總線置于高阻態(tài)，即總線空閑時沒有任何信號驅動總線，使總線通訊正負之間的電壓在-200～+200 mV直至趨于0 V，這就導致接收器輸出狀態(tài)不確定[14]。此時，彈上RS485總線的其他設備會誤認為是一個新的啟動位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠不會有停止位，將不再有設備請求總線，總線有可能陷于癱瘓狀態(tài)。

除上述的總線空閑會造成兩線電壓差低于200 mV的情況外，總線開路或短路時也會出現這種情況。故應采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)[15]。

在彈上RS485總線通訊中通常是在總線上加偏置電阻，使得總線空閑或開路時，也能有一個確定的狀態(tài)(差分電壓≥-200 mV)。如上文圖9所示的電阻R4，R5，偏置電阻將總線負端下拉到地，將正端上拉到+5 V，偏置電阻的典型值是1 k，具體數值隨彈上總線通訊電纜電容的不同而有所差別。

5結束語

本文結合RS485總線在導彈的應用，制作了不同拓撲結構的總線通訊電纜，進行了總線通訊特性研究，分析了影響彈上RS485總線通訊質量的因素，并分別從總線拓撲網絡、總線匹配、總線接地、總線穩(wěn)定輸出等方面進行了分析和設計，提出了提高彈上RS485總線通訊質量的方法。在實際型號應用中，還應注意總線通訊的5V地與彈上各設備的電源地、機殼隔離等措施，確保彈上RS485總線通訊的可靠性。

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Communication Quality of Missile RS485 Data Bus

CUI Yu-jiang, SHAO Yun-feng, QIAO Dao-peng

(Beijing Inst. of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Abstract:RS485 Data Bus has been used widely in missile because of its advantages with ordinary circuitry and powerful antijamming ability. Higher requirements are put forward on reliability of data bus with the increasing performance of missile. Different bus cables are manufactured combined with its use in missile, and communication characteristics are studied. The factors which influence the communication quality of RS485 data bus are analyzed, measures which can improve the communication quality of missile RS485 data bus are proposed according to the experimentation result.

Key words:missile; RS485 data bus; communication quality; bus matching; bit error;reliability

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-08

基金項目：有

作者簡介：崔玉江(1979-)，男，山東青州人。高工，碩士，研究方向為彈上電氣系統設計與試驗技術。

通信地址：100854北京市142信箱30分箱E-mail：cyj801@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.033

中圖分類號：TN919

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0209-06