CN101521561B - 一种高速rs485的能量/数据传输终端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速RS485的能量/数据传输终端，属于工业现场总线的数据传输技术领域，该传输终端包括：FPGA器件、RS485接口单元、网络变压器单元、终端阻抗匹配单元、直流能量单元；网络变压器单元分别与所述直流能量单元、终端阻抗匹配单元相连，网络变压器单元还通过RS485接口单元与FPGA器件相连。该方法包括：本级终端读取数据、进行编码、并/串转换后与直流能量信号叠加后进行长线传输；下一级终端接收后，进行串行数据与直流能量信号的分离，提取出直流能量信号、对进行检测，串/并转换和解码后从中提取出原始的传输数据信号；本发明具有简化的外围硬件设计，可提高数据传输速率、延长传输距离，具有硬件电路简单、控制灵活、便于RS485传输节点数目扩展的特点。
Description
技术领域
本发明属于工业现场总线的数据传输技术领域，特别涉及到基于RS485总线的高速数据传输终端，用于工业现场中监测参数沿RS485总线的高速远距离数据传输。
背景技术
RS485总线系统具有硬件设计简单、控制方便、成本低廉、传输距离远等优点，现广泛应用于工业控制、小区监控、水情监测、地震勘探等领域，其中RS(RecommendedStandard)代表推荐标准。目前，国内外主要是利用现有的通用RS485总线进行测控系统.中数据传输部分或不同接口标准间转换(如，RS485与RS232，或RS485与USB接口之间的数据转换)的设计。RS485接口标准通信的最大传输距离为2000m，通信速率限制在93.75kb/s；当通信距离为100m时，通信速率可达20Mb/s。在实际RS485总线网络中，由于现场存在的各种干扰降低了通信的可靠性，并限制总线的传输速率。虽然目前市场上可提供数据速率高达52Mbps的驱动器，但在工业领域内这种高速器件必须保持低传输延迟和低偏差。RS485电路具有分布参数特性，其电气特性及信道响应主要由传输电缆、连接器、终端匹配负载及连接到总线上的RS485器件所组成的物理介质的分布电感及电容决定，现阶段通常RS485的最大传输距离为2000m，最高速率在10Mb/s左右(参见：Howfar and how fast can you go with RS485[R].Maxim Integrated Products，AN3884，2006.)，而且，这两个指标也无法同时满足(参见：RS-485 data interface gives isolated，full-duplexoperation，Maxim Integrated Products，AN2116，1998)，从而制约了其在高速、远距离通讯中的应用。
为提高RS485总线在传输距离一定时的传输速率和可靠性，增强总线在现场条件下的传输性能，国内外研究机构对此进行了相关研究。
1996年Godie J在分析RS485传输信道特性的基础上，指出最大的电缆长度取决于电缆直流环路阻抗与终端阻抗的分压，且电缆长度与传输速率的关系还与可接受的信号抖动有关。而且，当RS-485传输速率较高时，为改善信噪比，除选择低衰减的电缆外，需对传输的数据进行信号处理(参见：Godie J.Ten ways to bulletproof RS-485 interfaces.EDN，1996，41(16)：141-152.)。1999年Ted S和Larry S指出在RS485的发送端和接收端采用预加重技术，通过改善传输速率与距离之间的关系，以在相同速率下增加驱动器预加重使距离加倍，以及在距离一定时采用预加重来提高数据速率(参见：Ted S，Larry S.Pre-emphasisimproves RS-485 communication.EDN，1999，44(20)：151-156.)。2004年Clark K指出在长线传输时信号衰减的幅度和频率与电缆特性有关，当高速传输时将产生码间干扰而造成信号失真。为降低信号失真度，除选用适当的信号编码外，可利用无源滤波器在接收器端构建频率选择滤波器，以衰减低频分量，增强高频分量，从而允许更高的传输速率(参见：ClarkK.Equalization enhances RS-485 links.EDN，2004，49(4)：71-78.)。
近年来中国的一些研究机构也对影响RS485总线网络系统通信可靠性的因素进行了初步分析，从接口器件选型、软件设计及电源、屏蔽和接地等抗电磁干扰方面提出了通信可靠性的简单措施(参见：[1]凌国平，周新建.如何提高测控系统中RS485通信的可靠性.仪器仪表学报，2005，26(8)：470-471，476；[2]张芳峨，衡君山，甄换强.RS485总线网络可靠性研究.仪器仪表学报，2006，27(6)：2458-2459)，但中国的研究主要是实现RS485总线在常规指标下的应用，如基于RS485总线的通用数据控制器，以及RS485与RS232或与USB接口的转换等，对RS485高速数据传输技术的研究很少。而且，现有的RS485总线系统主要偏重于实现分布式监测系统内不同节点间的数据通信，很少涉及总线内数据与直流能量之间的叠加传输。
总之，提高RS485总线的传输速率是国内外当前的研究热点，利用最新器件和精细的系统设计在较长的电缆下实现较高的数据吞吐率，同时具有直流能量与数据的叠加传输功能，有利于提高现有RS485工业现场总线的传输速率、延长可靠的通讯距离，并可为分布式网络监测系统内的相邻监测节点提供能量供给，减少电缆的布线数量，从而节省终端成本。
发明内容
本发明的目的是为提高现阶段RS485总线的传输性能，设计出一种高速RS485的能量/数据传输终端。该传输终端具有简化的外围硬件设计，可提高数据传输速率、延长传输距离，具有硬件电路简单、控制灵活、便于RS485传输节点数目扩展的特点。
本发明提出的高速RS485的能量/数据传输终端，具有数据发送通道和数据接收通道功能，其特征在于，该传输终端包括：
FPGA(Field-Programmable Gate Array)器件，用于8B/10B编码、并/串转换、时钟产生单元等数据发送功能，以及串行输入信号的数据检测、串/并转换、10B/8B解码及CRC数据校验等数据接收；
RS485接口单元，用于实现在RS485总线下串行数据的高速传输与接收，以及实现FPGA器件与RS485接口器件之间的阻抗匹配；
网络变压器单元，在数据发送时用于直流能量信号与串行数据的叠加，以及在数据接收时用于直流能量信号与串行数据的分离；
终端阻抗匹配单元，用于在RS485长线传输时抑制信号的反射和回波；
直流能量单元，用于为本级RS485传输终端内的设备供电，以及为下一级RS485传输终端输送电源能量；
其中，所述网络变压器单元分别与所述直流能量单元、终端阻抗匹配单元相连，该网络变压器单元还通过所述RS485接口单元与所述FPGA器件相连。
本发明还提出采用上述的相同两个高速RS485的能量/数据传输终端之间的能量/数据传输方法，其特征在于，将发送数据的高速RS485的能量/数据传输终端为本级终端，接收数据的高速RS485的能量/数据传输终端为下一级终端，两个高速RS485的能量/数据传输终端均具有数据发送和数据接收功能，包括以下步骤：
1)本级终端的FPGA器件读取数据，并对待发送数据信号进行8B/10B编码；
2)在编码后的数据信号前面插入同步帧，再经并/串转换后与直流能量信号叠加，叠加后的信号经RS485接口器件驱动双绞线进行长线传输；
3)下一级终端接收经长线传输后的信号，并进行串行数据与直流能量信号的分离，并提取出直流能量信号；
4)被分离后的串行数据送入所述下一级终端的FPGA器件内，在该FPGA器件内对接收到的串行数据信号进行检测以识别数据位，从而得到10位的二进制串行数据信号；
5)对得到的10位的二进制串行数据信号经串/并转换和10B/8B解码后从中提取出原始的传输数据信号；
6)对提取的数据信号进行CRC校验，从而得到本级终端与下一级终端之间的RS485数据传输误码率。
本发明的特点及效果：
本发明的传输终端根据以太网供电原理，应用网络变压器可实现直流能量信号与高速串行数据的叠加传输，以及能量信号与串行数据的分离提取；可实现串行数据的高速传输。
本发明应用FPGA技术，利用串行信号的跳变沿作为高速时钟采样检测的起点以实现位同步，实现串行信号的高速时钟恢复和数据帧同步。
本发明的RS485数据传输终端能够应用于工业控制、小区监控、水情监测、管网监控、地震勘探等领域。
与现有技术相比，本发明具有简化的外围硬件设计，可提高数据传输速率、延长传输距离，具有硬件电路简单、控制灵活、便于RS485传输节点数目扩展的特点。
附图说明
图1为本发明的组成框图。
图2为本发明的实施例具体结构示意图。
图3为本发明的两个RS485传输终端之间的应用实例框图。
图4为本发明的RS485的能量/数据传输的流程示意图。
图5为本发明的高速串行数据检测的流程示意图。
图6为本发明的高速串行数据检测的时序原理图。
具体实施方式
本发明设计并实现了一种高速RS485的能量/数据传输终端，结合各附图及实施例的详细说明如下：
本发明的高速RS485的直流能量/数据的传输终端具有数据发送通道和数据接收通道功能，其组成结构，如图1所示；该传输终端包括：
FPGA(Field-Programmable Gate Array)器件4，用于8B/10B编码、并/串转换、时钟产生单元等数据发送功能，以及串行输入信号的数据检测、串/并转换、10B/8B解码及CRC数据校验等数据接收；
RS485接口单元3，用于实现在RS485总线下串行数据的高速传输与接收，以及实现FPGA器件与RS485接口器件之间的阻抗匹配；
网络变压器单元2，在数据发送时用于直流能量信号与串行数据的叠加，以及在数据接收时用于直流能量信号与串行数据的分离；
终端阻抗匹配单元1，用于在RS485长线传输时抑制信号的反射和回波；
直流能量单元5，用于为本级RS485传输终端内的设备供电，以及为下一级RS485传输终端输送电源能量；
其中，所述网络变压器单元分别与所述直流能量单元、终端阻抗匹配单元相连，该网络变压器单元还通过所述RS485接口单元与所述FPGA器件相连。
本发明的传输终端的实施例如图2所示，各部件的具体组成及功能分别说明如下：
终端阻抗匹配单元
本实施例的终端阻抗匹配单元1由两个终端匹配电阻1a和1b构成，终端匹配电阻选用低噪声的表贴电阻，其阻值大小也与传输距离、传输速率有关。本实例的终端匹配阻值为100Ω，可根据实现的功能要求采用常规技术制成。
网络变压器单元
本实施例的网络变压器单元2由两个网络变压器器件2a、2b构成，在数据发送时用于直流能量信号与串行数据的叠加，以及在数据接收时用于直流能量信号与串行数据的分离。本实施例的网络变压器器件选用的型号为MS10232。
RS485接口单元
RS485接口单元3由RS485接口器件3a、3b及与其相连的接口电路组成。
(1)RS485接口器件
为提高RS485总线的传输速率、延长高传输速率条件下的通信距离，本实施例的RS485接口器件3a、3b选用TI公司生产的带有均衡功能的RS485接口芯片SN65hvd23D，用于实现在RS485总线下串行数据以20Mbps传输速率的高速传输与接收。
(2)接口电路
本实例的接口电路与选用的RS485接口器件SN65hvd23D相对应，通过配置低噪声表贴电阻，用于实现FPGA器件与RS485接口器件之间的阻抗匹配，可根据实现的功能要求采用常规技术制成。
直流能量单元
本实施例的直流能量单元5根据实现的功能要求采用常规技术制成，用于为本级RS485传输终端内的设备供电，以及为下一级RS485传输终端输送电源能量，其最大可提供48V/1A的直流电源能量输出。此外，为提高传输效率，应缩短印刷电路板与供电设备间连接短线的长度，并提高短线直径，以降低高功率传输时电缆的能量损耗。
FPGA器件
本实施例的FPGA器件选用
Cyclone II FPGA，其主要用于实现8B/10B编码、并/串转换、时钟产生单元等数据发送功能，以及串行输入信号的数据检测、串/并转换、10B/8B解码及CRC数据校验等数据接收功能。但由于RS-485基带数字通信系统中没有独立的时钟线，带有同步时钟信息的数据信号经200m双绞线长线被串行传送。为在接收端实现数据同步，需从高速的随机码流中提取与数据传输速率对应的时钟信号，并将之同步到数据相位上。因此，本实施例应用VHDL语言利用所述的FPGA器件内的锁相环经倍频生成频率为传输波特率的10倍的时钟信号作为检测时钟信号，通过本地产生的高频检测时钟对经200m双绞线后输入的高速串行数据进行过采样，从而实现串行信号的数据检测。上述提及的其它8B/10B编码、10B/8B解码、串/并和并/串转换，以及CRC数据校验等数据发送功能与接收功能，可采用常规技术设计实现。
各组成部件的连接关系如图2所示，FPGA器件4的输出端分别与RS485接口器件3a、3b的输入端相连；RS485接口器件3a、3b的两个差分信号端A、B分别与网络变压器2a、2b的输入端相连；网络变压器2a、2b的两个中心抽头分别与直流能量单元的正极、负极相连；网络变压器2a、2b的差分输出两端分别与终端匹配电阻1a和1b的两端相连接，然后再分别与两条双绞线的相连，实现能量/数据的叠加传输，其中，每根双绞线的长度均为200m，单股电缆的电阻为9.4Ω，可采用常规技术制成。
本发明的RS485，传输终端之间的数据通讯过程为：如图3所示，图中示出了由本级传输终端与下一级传输终端构成的RS485点对点数据传输，其中，本级传输终端的内部结构与下一级传输终端的内部结构完全相同，二者可以互换。在本级传输终端一侧，存于FPGA器件4内的程序对待发送数据进行8B/10B编码，之后将并行数据转换为串行数据输出；这两路串行数据分别送入RS485接口器件3a、3b，经RS485总线驱动后，通过网络变压器2a、2b分别实现直流能量+24V/-24V与串行数据的叠加，叠加后的能量/数据信号驱动200m双绞线进行差分传输；传输信号经过200m传输后从本级传输终端到达下一级传输终端；在下一级传输终端一侧，两路能量/数据叠加传输的信号通过网络变压器2a、2b分别实现直流能量+24V/-24V与串行数据的分离，分离后的+24V/-24V可为本级设备提供48V供电，而分离后的串行数据输入FPGA器件4；在FPGA器件4内，以VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)语言编制的程序以输入的串行信号的跳变沿作为采样脉冲计数的起始标志，利用频率为传输波特率的10倍的时钟信号作为检测时钟，对输入的串行数据码流进行高频过采样，从中提取位同步时钟信息，并在此基础上进行串行数据的并行转换和10B/8B解码，实现原始发送数据的提取。当存在多级RS485传输终端时，可依次重复上述过程，实现从上一级至下一级的RS485点对点数据传输。
采用本发明相同的两个高速RS485的能量/数据传输终端之间的能量/数据传输流程如图4所示，其中，将发送数据的高速RS485的能量/数据传输终端为本级终端，接收数据的高速RS485的能量/数据传输终端为下一级终端，两个高速RS485的能量/数据传输终端均具有数据发送和数据接收功能，包括以下步骤：
1)本级终端的FPGA器件读取数据，并对待发送数据信号进行8B/10B编码；
2)在编码后的数据信号前面插入同步帧，再经并/串转换后与直流能量信号叠加，叠加后的信号经RS485接口器件驱动双绞线进行长线传输；
3)下一级终端接收经长线传输后的信号，并进行串行数据与直流能量信号的分离，并提取出直流能量信号；
4)被分离后的串行数据送入下一级终端的FPGA器件内，在该FPGA器件内对接收到的串行数据信号进行检测以识别数据位，从而得到10位的二进制串行数据信号；
5)对得到的10位的二进制串行数据信号经串/并转换和10B/8B解码后从中提取出原始的传输数据信号；
6)对提取的数据信号进行CRC校验，从而得到本级终端与下一级终端之间的RS485数据传输误码率。
上述步骤4)在下一级传输终端的FPGA器件内对接收到的串行数据信号进行检测以识别数据位的具体流程如图5所示。包括以下步骤：
1)下一级传输终端的FPGA器件利用高频检测时钟对串行输入信号的数据位进行采样；(本实施例的RS485传输终端的发送时钟频率为20MHz(频率精度可达10-4)，即，传输波特率为20Mb/s，高频检测时钟的频率为200MHz)；
2)高频检测时钟对采集的串行输入信号的数据位进行检测，检测的时序如图6所示。以采集的串行输入信号的数据位的跳变沿作为采样脉冲计数的起始标志，判断其是否为高电平或低电平，并将结果累加计数；
3)若检测的串行输入信号的数据位的电平为“高”，则将高电平累加计数结果存储于寄存器RH内，同时对低电平寄存器RL清零；反之，若检测的串行输入信号的数据位的电平为“低”，则将低电平累加计数结果存储于寄存器RL内，同时对高电平寄存器RH清零；
4)当经过N个采样时钟周期后(N为正整数，N与高频检测时钟的频率有关，本实施例中N＝5)，在第N+1个采样时钟的上升沿到来时读取寄存器RH和RL；若RH内数据位的个数大于等于N，则该串行数据位为“1”，若RL内的个数大于等于N，则该串行数据位为“0”，否则，对高电平寄存器RH和低电平寄存器RL清零，并转步骤1)；
5)重复执行上述步骤1)～4)10次，得到10位的二进制串行数据信号。
但由于检测时钟与发送时钟不同源，随着接收的进行，采样脉冲将逐步偏离接收数据的中央。当检测误差超过5个检测时钟宽度时会产生误码，忽略传输过程中引入的误差，则误码主要与串行输入信号中连续长“1”或长“0”有关。这是因为高速传输系统中基带信号出现的连续长“0”或长“1”将引起基线漂移使接收端的工作点发生改变，从而影响接收信号的判决。为克服基线漂移，以利于位同步时钟的恢复，对传输数据包应采用8B/10B编码。本实施例设计的8B/10B编码的游程为(0，4)，该编码可使得发送的“0”、“1”数量保持基本一致，连续的“1”或“0”不超过5位，从而能够保证信号直流平衡，并可对数据进行码字隔离及特征码的字节对准，但因添加辅助码元，传输的二进制数据由原来的8位增加为10位，这样，实际有效的传输速率会降低20％。
本发明的终端及其应用主要技术特点：
1、采用高性能RS485接口器件及阻抗匹配设计，可有效改善高速长线传输时串行数据信号的高频分量衰减；
2、利用以太网供电原理，采用网络变压器与RS485数据传输的组合设计，可实现直流能量信号与串行数据的叠加传输，以及能量信号与串行数据的分离提取。这种两通道双线对的总线供电方法能够满足功率要求，无需设置专门的电源线路，节约线缆对数，降低了电缆重量及费用。
3、应用FPGA技术，利用串行信号的跳变沿作为高速时钟采样检测的起点以实现位同步，结合8B/10B的链路编码方案，实现串行信号的高速时钟恢复和数据帧同步；
4、该RS485传输终端以双绞线为传输介质可实现200m、20Mbps的RS485高速串行数据通讯，误码率可达10-11，提升了RS485高传输速率下的通信距离；
5、该RS485传输终端具有外围电路简单、操作方便的特点，能在工业现场内实现监测参数的高速传输，从而缩短通信时间，提高现场的监测效率，节约生产成本。
该RS485传输终端可构成基于RS485总线的分布式监测网络，实现工业现场的多参数、多节点的网络化监测与高速传输，从而提高现场监测的全面性与准确性。
Claims (3)
1.一种高速RS485的能量/数据传输终端，具有数据发送通道和数据接收通道功能，其特征在于，该传输终端包括：
FPGA器件，用于8B/10B编码、并/串转换、时钟产生单元等数据发送功能，以及串行输入信号的数据检测、串/并转换、10B/8B解码及CRC数据校验等数据接收；
RS485接口单元，用于实现在RS485总线下串行数据的高速传输与接收，以及实现FPGA器件与RS485接口器件之间的阻抗匹配；
网络变压器单元，在数据发送时用于直流能量信号与串行数据的叠加，以及在数据接收时用于直流能量信号与串行数据的分离；
终端阻抗匹配单元，用于在RS485长线传输时抑制信号的反射和回波；
直流能量单元，用于为本级RS485传输终端内的设备供电，以及为下一级RS485传输终端输送电源能量；
其中，所述网络变压器单元分别与所述直流能量单元、终端阻抗匹配单元相连，该网络变压器单元还通过所述RS485接口单元与所述FPGA器件相连。
2.相同两个采用如权利要求1所述的高速RS485的能量/数据传输终端之间的能量/数据传输方法，其特征在于，将发送数据的高速RS485的能量/数据传输终端设定为本级终端，将接收数据的高速RS485的能量/数据传输终端设定为下一级终端，两个高速RS485的能量/数据传输终端均具有数据发送和数据接收功能，包括以下步骤：
1)本级终端的FPGA器件读取数据，并对待发送数据信号进行8B/10B编码；
2)在编码后的数据信号前面插入同步帧，再经并/串转换后与直流能量信号叠加，叠加后的信号经RS485接口器件驱动双绞线进行长线传输；
3)下一级终端接收经长线传输后的信号，并进行串行数据与直流能量信号的分离，并提取出直流能量信号；
4)被分离后的串行数据送入所述下一级终端的FPGA器件内，在该FPGA器件内对接收到的串行数据信号进行检测以识别数据位，从而得到10位的二进制串行数据信号；
5)对得到的10位的二进制串行数据信号经串/并转换和10B/8B解码后从中提取出原始的传输数据信号；
6)对提取的数据信号进行CRC校验，从而得到本级终端与下一级终端之间的RS485数据传输误码率。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤4)在下一级传输终端的FPGA器件内对接收到的串行数据信号进行检测以识别数据位，包括以下步骤：
41)下一级传输终端的FPGA器件利用高频检测时钟对串行输入信号的数据位进行采样；
42)高频检测时钟对采集的串行输入信号的数据位进行检测，以采集的串行输入信号的数据位的跳变沿作为采样脉冲计数的起始标志，判断其是否为高电平或低电平，并将结果累加计数；
43)如果检测的串行输入信号的数据位的电平为“高”，则将高电平累加计数结果存储于寄存器RH内，同时对低电平寄存器RL清零；反之，如果检测的串行输入信号的数据位的电平为“低”，则将低电平累加计数结果存储于寄存器RL内，同时对高电平寄存器RH清零；
44)当经过N个采样时钟周期后，N为正整数，在第N+1个采样时钟的上升沿到来时读取寄存器RH和RL；若RH内数据位的个数大于等于N，则该串行数据位为“1”，若RL内的个数大于等于N，则该串行数据位为“0”，否则，转步骤41)；
45)重复执行上述步骤41)～44)10次，得到10位的二进制串行数据信号。
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