網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

    幾乎所有做過(guò)安防系統(tǒng)工程安裝調(diào)試的技術(shù)人員對(duì)RS-485串型總線都不會(huì)陌生，基本上絕大多數(shù)的攝像機(jī)云臺(tái)、鏡頭控制都是通過(guò)RS-485總線完成控制的，采用RS-485通信方式具有布線成本低、施工調(diào)試方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。

    RS-232、RS-422、RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂并發(fā)布。RS-232于1962年發(fā)布，最初命名為EIA-232-E，作為一項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái)，主要為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺(速率低于100kb/s時(shí)),并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范,被命名為TIA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。

    RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，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信協(xié)議。因此對(duì)于在安防的應(yīng)用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議，一般作為私有協(xié)議或公開使用。國(guó)內(nèi)的安防設(shè)備廠家大多采用標(biāo)準(zhǔn)RS-485串行通信協(xié)議方式，國(guó)外廠家大多采用曼切斯特(Manchester)編/解碼協(xié)議方式通信。

    1、RS-485電氣規(guī)定

    RS-485一般采用兩線平衡差分信號(hào)傳輸，兩條通信線上的信號(hào)極性正好相反。通常安防工程中采用的傳輸介質(zhì)是雙絞線。采用雙絞線傳輸可以有效減少高速率長(zhǎng)距離傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)常見(jiàn)的輻射電磁干擾(radiated EMI)和接收電磁干擾(received EMI)。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。

    輻射電磁干擾：數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)的上升沿和下降沿處集中了信號(hào)的高頻分量，這些高頻分量在長(zhǎng)線傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射電磁干擾。使用雙絞線時(shí)，兩條線上的輻射幅度相等，極性相反，凈輻射為零。

    接收電磁干擾：傳輸電纜同時(shí)相當(dāng)于接收天線，會(huì)接收到空間的雜散信號(hào)(噪聲)，會(huì)對(duì)有用的485通信信號(hào)造成干擾。雙絞線防止了平衡傳輸時(shí)的電磁輻射，也就減少了接收電磁干擾的可能。同時(shí)雙絞線上接收的噪聲幾乎是一樣的(這種噪聲叫共模噪聲)。RS-485接收器只尋找兩條線上形狀相同極性相反的信號(hào)。因此噪聲信號(hào)不會(huì)被接收。

    2、RS-485總線匹配電阻

    RS-485總線方式采用一條雙絞線電纜作總線，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。網(wǎng)絡(luò)連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但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，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降。

    因此，一般在RS-485總線電纜的開始和末端都需要并接終接電阻，一般在300米以下短距離傳輸時(shí)可不需終接電阻終接電阻阻值一般為120Ω。這種匹配方法簡(jiǎn)單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對(duì)于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。采用RC匹配(電阻、電容匹配)、二極管匹配等方法通過(guò)節(jié)能和削弱反射信號(hào)，可解決由于功率消耗導(dǎo)致的信號(hào)弱現(xiàn)象。

    3、RS-485總線接地問(wèn)題

    電子系統(tǒng)的接地非常重要、不容被忽視。RS-485總線接地系統(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對(duì)于接地的要求更為嚴(yán)格，否則接口損壞率較高。很多實(shí)際的應(yīng)用中，連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的問(wèn)題隱患，會(huì)帶來(lái)共模干擾問(wèn)題、電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

    1)共模干擾問(wèn)題： RS-485接口均采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。地電位差可能會(huì)有很大幅度，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入電壓超出正常范圍，并在傳輸線路上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

    2)電磁干擾(EMI)問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(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。

    由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對(duì)整個(gè)RS-422或RS-485網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。通過(guò)信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來(lái)，使共模干擾電壓被短路。這條信號(hào)地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。

    4、RS-485總線瞬態(tài)保護(hù)

    信號(hào)接地措施，針對(duì)低頻率的共模干擾有保護(hù)作用，對(duì)于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無(wú)能為力了。由于傳輸線對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于電感，因此對(duì)于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。 實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如變壓器、繼電器等或閃電過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞RS-485通信接口。對(duì)于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。主要有隔離保護(hù)、旁路保護(hù)等方法可以實(shí)現(xiàn)有效的瞬態(tài)保護(hù)。

    1)隔離保護(hù)方法。這種方案實(shí)際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會(huì)產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護(hù)接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實(shí)現(xiàn)接口的電氣隔離。

    2)旁路保護(hù)方法。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是保護(hù)能力有限，只能保護(hù)一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時(shí)間不能很長(zhǎng)，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。實(shí)際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來(lái)靈活加以運(yùn)用。

    5、RS-485總線安防應(yīng)用總結(jié)

    在很多實(shí)際安防工程應(yīng)用中，由于總線結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致匹配阻抗問(wèn)題，引起很多終端設(shè)備無(wú)法通訊，例如：在同一個(gè)RS-485總線上的部分?jǐn)z像機(jī)不可控。針對(duì)典型安防工程中出現(xiàn)的一些情況，給出以下建議：

    1)RS-485總線結(jié)構(gòu)盡可能采用類菊花鏈型串接，如果是星型結(jié)構(gòu)要采用RS485Hub來(lái)匯聚;

    2)在總線的起始端和末端要添加120Ω匹配電阻，降低信號(hào)反射干擾;

    3)要選用帶RS485瞬態(tài)保護(hù)電路的安防設(shè)備，降低設(shè)備故障的概率;

    4)采用屏蔽雙絞線的屏蔽層作為地線，或者額外敷設(shè)一條地線來(lái)達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)地共地。