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(cè)試、發(fā)控技術(shù)

彈上RS485總線通訊質(zhì)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(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈型號(hào)，隨著導(dǎo)彈性能的提升，對(duì)彈上總線通訊的可靠性提出了更高要求。結(jié)合RS485總線在導(dǎo)彈型號(hào)的應(yīng)用情況，制作了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總線電纜，進(jìn)行了總線通訊特性研究，分析了影響彈上RS485總線通訊質(zhì)量的因素，結(jié)合試驗(yàn)研究，提出了提高彈上RS485總線通訊質(zhì)量的方法。

關(guān)鍵詞：彈上；RS485總線；通訊質(zhì)量；總線匹配；誤碼；可靠性

0引言

RS485總線在導(dǎo)彈彈上信息交互中起著至關(guān)重要的作用，隨著導(dǎo)彈低成本、低功耗、高裝填密度、輕小型化、精確制導(dǎo)和精確高效殺傷等技術(shù)的發(fā)展，彈上設(shè)備組成越來(lái)越復(fù)雜，信息交互頻率和實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，交互的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，而彈上RS485總線面臨的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，型號(hào)研制中經(jīng)常出現(xiàn)總線通訊丟幀和誤碼等情況，也曾因此導(dǎo)致過(guò)飛行試驗(yàn)失敗，因此彈上總線的通訊質(zhì)量關(guān)乎著導(dǎo)彈飛行成敗，其重要性日益凸現(xiàn)。

1RS485總線在導(dǎo)彈的應(yīng)用

RS485是一種串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(electronics industry association,EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS422基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器驅(qū)動(dòng)總線[1-2]，RS485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通訊協(xié)議[3]。因而，RS485總線在彈上得到了廣泛的應(yīng)用。采用RS485串行總線的彈上實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)引頭、慣性測(cè)量組合、主控計(jì)算機(jī)、應(yīng)答機(jī)、電氣控制裝置等設(shè)備通過(guò)RS485串行總線進(jìn)行連接。彈上主控計(jì)算機(jī)為主站，其它設(shè)備為從站，主站負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并調(diào)度和管理其它從站設(shè)備進(jìn)行工作。

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

由于EIA未給出RS485總線的具體實(shí)現(xiàn)方法，在彈上總線線纜的實(shí)現(xiàn)方面，存在若干影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?，其中，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線連接方式分為串聯(lián)總線型和分支總線型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝和連接方式的不同，對(duì)應(yīng)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(yīng)用。

分別用SZE系列導(dǎo)線制作了拉手式、繞焊式總線電纜，用KD24系列導(dǎo)線制作了拉手式總線電纜,電纜長(zhǎng)度均為1.5 m，在總線的2個(gè)終端分別連接100 Ω匹配電阻。不同總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的彈上設(shè)備連接關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)下各設(shè)備連接關(guān)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(dǎo)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(lián)型總線較分支型總線的通訊質(zhì)量要高。

2.2總線匹配分析

將SZE導(dǎo)線制作的拉手式總線電纜和KD24導(dǎo)線制作的拉手式總線電纜進(jìn)行總線匹配分析。利用阻抗分析儀，在電纜的其中一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處測(cè)量2種電纜的特性阻抗，測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果均與廠家標(biāo)稱值相當(dāng)。

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(shè)備連接，組成串聯(lián)型總線結(jié)構(gòu)，用示波器分別采集總線通訊波形，如圖5所示。可見(jiàn)KD24導(dǎo)線制作的拉手式總線電纜的通訊波形要明顯優(yōu)于SZE導(dǎo)線制作的拉手式總線電纜。

KD24型導(dǎo)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(dāng)，因而總線通訊質(zhì)量更佳。因此，為減小高速傳輸信號(hào)的反射，應(yīng)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(yīng)匹配，這樣更有利于通訊質(zhì)量的改善。

3RS485總線通訊質(zhì)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(guò)彈上總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(以0,1形式表示)的過(guò)程。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)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(cuò)誤，稱之為誤碼，誤碼率(BER)就是出現(xiàn)誤碼的概率。在RS485總線中，誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)，是反映數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備質(zhì)量和信道工作質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。當(dāng)彈上RS485總線出現(xiàn)誤碼時(shí)，會(huì)影響彈上信息傳遞，甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤的邏輯，從而影響導(dǎo)彈的飛行。一般來(lái)說(shuō)，彈上RS485總線的誤碼率優(yōu)于10-7。彈上總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理、總線阻抗不匹配都會(huì)導(dǎo)致誤碼的出現(xiàn)。

某型號(hào)在綜合測(cè)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤，經(jīng)測(cè)試誤碼率為2×10-5，后將總線電纜更改為拉手串聯(lián)總線并進(jìn)行了特性阻抗匹配，匹配電阻115Ω，用誤碼率測(cè)試儀進(jìn)行了2 h的測(cè)試，未出現(xiàn)誤碼，即誤碼率基本為0，將該總線電纜應(yīng)用于彈上，測(cè)試正常，不再出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤。

圖4　總線電纜通訊實(shí)測(cè)波形圖Fig.4　Communication waving chart of bus cable

圖5　總線電纜通訊實(shí)測(cè)波形圖Fig.5　Communication waving chart of bus cable

3.2總線信號(hào)反射影響

在RS485總線通訊過(guò)程中，阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射[5]。傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，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(hào)反射對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤[6]。信號(hào)反射會(huì)使彈上總線通訊信號(hào)形成過(guò)沖，導(dǎo)致信號(hào)波形在邏輯門(mén)限附近波動(dòng)。信號(hào)在跳變的過(guò)程中可能跨越邏輯電平門(mén)限，多次跨越邏輯電平門(mén)限則會(huì)導(dǎo)致邏輯功能紊亂，從而導(dǎo)致總線通訊質(zhì)量的下降。

3.3碼間串?dāng)_

RS485總線通訊中，設(shè)備器件及濾波等會(huì)使脈沖拖寬,并重疊到鄰近的時(shí)隙中去。當(dāng)總線接收端的各點(diǎn)進(jìn)行抽樣時(shí),以抽樣時(shí)刻測(cè)定的信號(hào)幅度為依據(jù)進(jìn)行判決,恢復(fù)出原脈沖的消息，若重疊到鄰接時(shí)隙內(nèi)的信號(hào)太強(qiáng)，可能發(fā)生錯(cuò)誤的判斷[7]。若相鄰的脈沖的拖尾相加超過(guò)判決門(mén)限,則會(huì)使發(fā)送的“0”判斷為“1”。實(shí)際中可能出現(xiàn)好幾個(gè)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(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_。碼間串?dāng)_的示意圖如圖6所示。

圖6　碼間串?dāng)_示意圖Fig.6　Symbol interference

碼間串?dāng)_主要是由噪聲和傳輸特性不良引起的，它會(huì)使總線通訊質(zhì)量下降，造成數(shù)據(jù)判讀錯(cuò)誤。

3.4其他噪聲影響

彈上RS485采用差分方式傳輸信號(hào)，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(dāng)共模電壓超出此范圍就會(huì)影響通訊質(zhì)量，直至損壞接口。

如圖7所示，當(dāng)發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于2個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差VGPD，接收器輸入端的共模電壓就會(huì)達(dá)到VCM=VOS+VGPD。RS485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定VOS≤3 V，但VGPD可能會(huì)有很大的幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入VCM超出正常范圍，并在信號(hào)線上產(chǎn)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(dǎo)致共模干擾Fig.7　Common mode interference reflecting by ground potential difference

此外，RS485總線通訊還會(huì)受到彈上復(fù)雜的電磁環(huán)境的干擾，信號(hào)會(huì)經(jīng)受不同噪聲的影響，這些都會(huì)對(duì)彈上正常通訊產(chǎn)生影響。

4提高彈上RS485總線通訊質(zhì)量方法及建議

4.1RS485總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

RS485支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，為多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)[9-10]。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)采用雙絞線電纜，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)。圖8所示為實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的一些錯(cuò)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(zhì)量便可得到驗(yàn)證。

圖8　RS485總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8　Topological structure of RS485 bus

目前，在彈上RS485總線結(jié)構(gòu)中，采用的總線拓?fù)浞绞讲槐M相同，其中a)，b)，c)拓?fù)浞绞綍?huì)隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，主要原因是信號(hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，容易形成碼間串?dāng)_和誤碼，因而造成信號(hào)質(zhì)量下降，從而會(huì)影響彈上RS485總線通訊的可靠性。

因此，對(duì)于彈上RS485總線應(yīng)盡量采用圖8中d)，e)，f)所示的串接型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少誤碼率和碼間串?dāng)_的影響。

4.2總線匹配設(shè)計(jì)

減小總線信號(hào)反射的主要途徑就是在RS485總線的2個(gè)終端跨接電阻進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中，雖然彈上統(tǒng)一要求各個(gè)設(shè)備的接口一致，但總線電纜的長(zhǎng)度、電纜所用導(dǎo)線牌號(hào)及總線傳輸?shù)乃俾什槐M相同。在彈上RS485總線長(zhǎng)度變化不大、傳輸速率相差不大的情況下，總線電纜所用導(dǎo)線牌號(hào)，即總線電纜的特性阻抗成為影響彈上RS485總線通訊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

根據(jù)總線通訊反射理論，當(dāng)總線電纜特性阻抗與終端電阻阻抗完全相等時(shí)，可有效的消除信號(hào)反射。因此，在進(jìn)行彈上RS485總線電阻匹配時(shí)，應(yīng)該根據(jù)采用的總線電纜的特性阻抗選取合適的電阻進(jìn)行匹配，即在彈上總線的2個(gè)通訊終端盡量選用阻值與總線電纜特性阻抗數(shù)值相等或接近的電阻。

4.3總線接地設(shè)計(jì)

RS485總線驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的干擾需要一個(gè)返回通路，如果沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道(信號(hào)地),就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波[12]。從而影響整個(gè)彈上通訊網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，整個(gè)導(dǎo)彈的電磁兼容性就會(huì)受到影響。

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

4.4總線穩(wěn)定輸出保護(hù)

RS485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了接收器門(mén)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(jì)算機(jī)在發(fā)送端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，會(huì)將總線置于高阻態(tài)，即總線空閑時(shí)沒(méi)有任何信號(hào)驅(qū)動(dòng)總線，使總線通訊正負(fù)之間的電壓在-200～+200 mV直至趨于0 V，這就導(dǎo)致接收器輸出狀態(tài)不確定[14]。此時(shí)，彈上RS485總線的其他設(shè)備會(huì)誤認(rèn)為是一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，將不再有設(shè)備請(qǐng)求總線，總線有可能陷于癱瘓狀態(tài)。

除上述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于200 mV的情況外，總線開(kāi)路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)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(kāi)路時(shí)，也能有一個(gè)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(fù)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(shù)值隨彈上總線通訊電纜電容的不同而有所差別。

5結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合RS485總線在導(dǎo)彈的應(yīng)用，制作了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總線通訊電纜，進(jìn)行了總線通訊特性研究，分析了影響彈上RS485總線通訊質(zhì)量的因素，并分別從總線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、總線匹配、總線接地、總線穩(wěn)定輸出等方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，提出了提高彈上RS485總線通訊質(zhì)量的方法。在實(shí)際型號(hào)應(yīng)用中，還應(yīng)注意總線通訊的5V地與彈上各設(shè)備的電源地、機(jī)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(xiàng)目：有

作者簡(jiǎn)介：崔玉江(1979-)，男，山東青州人。高工，碩士，研究方向?yàn)閺椛想姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)。

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(hào)：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-02-0209-06