CN104753598B - 一种无源分光rs‑485光纤总线通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源分光RS‑485光纤总线通信方法，通过有光表示RS‑485总线逻辑“0”信号，无光表示RS‑485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS‑485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障；无源RS‑485光网络局端，无源RS‑485光网络终端及用户终端设备中，每一时刻只有一个设备被允许发送信号，其它设备处于侦听状态；所有用户终端设备的数据发送请求都由RS‑485总线控制端处理，所有用户终端设备只有在接收到RS‑485总线控制端发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。
Description
技术领域
本发明涉及工业制造领域，具体涉及一种无源分光RS-485光纤总线通信方法。
背景技术
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS-232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS-485解决了这个问题。
RS-485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上一般最多可以挂接32个结点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。连接RS-485通信链路时用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
传统的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。组网介质主要有双绞线电缆和光纤，双绞线电缆和光纤在构建网络时，具有如下问题：
(1)共模干扰：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。
(2)EMI：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
(3)采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
(4)采用一条双绞线电缆作总线的最大通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。随着传输距离的增加，通信速率会急速下降，并不能保证高速远距离的通信要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种远距离、高速、大容量、采用RS-485结合光纤通信，通信可靠性高的无源分光RS-485光纤总线通信方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
一种无源分光RS-485光纤总线通信方法，其包括以下步骤：
(1)设置RS-485工业光纤总线系统，其包括依次连接的RS-485总线控制端，无源RS-485光网络局端和无源RS-485光网络终端；
(2)设置与步骤(1)所述RS-485工业光纤总线系统连接的用户终端设备，且用户终端设备与无源RS-485光网络终端相连接；
(3)工作时，通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障；
(4)无源RS-485光网络局端，无源RS-485光网络终端及用户终端设备中，每一时刻只有一个设备被允许发送信号，其它设备处于侦听状态；
(5)所有用户终端设备的数据发送请求都由RS-485总线控制端处理，所有用户终端设备只有在接收到RS-485总线控制端发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。
所述步骤(3)具体包括：
(31)RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中逻辑“0”信号为有光信号输出，逻辑“1”信号为无光信号输出，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线电平信号，实现对用户终端设备的控制；
(32)用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”状态，当发送逻辑“1”信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”状态；当发送逻辑“0”时，RS-485总线由逻辑“1”跳变为逻辑“0”状态，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”状态，并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。
所述无源RS-485光网络局端包括电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS-232中控接口，RS-485中控接口，两路RS-485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS-232中控接口、RS-485中控接口和两路RS-485级联接口连接总线仲裁处理器和RS-485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口。
所述无源RS-485光网络终端包括单端口RS-485光网络终端、嵌入式RS-485光网络终端和多端口RS-485光网络终端，其中，所述单端口RS-485光网络终端包括依次连接的光口、光电转换模块、高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路；嵌入式RS-485光网络终端包括依次连接的光口、光电转换单元、高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路；所述多端口RS-485光网络终端包括依次连接的光口，光电转换模块，总线仲裁处理器，高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路，其还包括与处理芯片相连接的一路上行光纤接口、两路级联光口和两路RS-485级联接口。
所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
所述无源RS-485光网络终端光电转换模块的接收单元将无源RS-485光网络局端发送过来的光信号转换成TTL逻辑电平信号，经相位转换后送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光由输入逻辑状态决定，对高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，并将数据发送RS-485接口芯片驱动到数据总线上；当用户终端设备通过RS-485总线发送数据时，RS-485接口芯片将RS-485电平转换成TTL逻辑电平信号送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光是由输入逻辑状态决定的，对应高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，数据相位转换后送到光电转换模块的发射单元，经局端设备送到RS-485控制端，实现数据的采集。
在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”状态，当发送逻辑“1”信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”状态；当发送逻辑“0”时，RS-485总线由逻辑“1”跳变为逻辑“0”状态，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”状态，并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。
用有光(即光电转换器发射单元的激光器发射出具有一定强度的激光信号)表示RS-485总线逻辑“0”信号，采用无光(即光电转换器发射单元的激光器不发射激光出来，处于关闭状态)表示RS-485总线逻辑“1”信号；任何一个总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。
所述无源RS-485光网络终端光电转换模块的接收单元将无源RS-485光网络局端发送过来的光信号转换成TTL逻辑电平信号，经相位转换后送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光由输入逻辑状态决定，对高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，并将数据发送RS-485接口芯片驱动到数据总线上；当用户终端设备通过RS-485总线发送数据时，RS-485接口芯片将RS-485电平转换成TTL逻辑电平信号送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光是由输入逻辑状态决定的，对应高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，数据相位转换后送到光电转换模块的发射单元，经局端设备送到RS-485控制端，实现数据的采集。
本发明的有益效果是：本发明的通信方法，有效解决了现有技术中，共模干扰，EMI，通信距离问题，可以传输10公里至40公里(根据平面波导型光分路器分光比而定)；通信速率与传输距离相互影响的问题；信号由于阻抗不连续造成的反射；提升系统抗雷击防护能力，采用光纤隔离所有通信节点，同时所有RS-485光网络终端均采用三级超强防雷技术，彻底解决雷击对整个系统的破坏危害。
采用PLC无源分光方式直接无源传输RS-485信号，无需经过协议转换，不需要改变原有的网络架构，相比采用TCP/IP网络传输方式，整个系统十分简单。采用点对多点的主--从结构，一个无源RS-485光网络局端最大可挂载128个节点，通过n个无源RS-485光网络局端的RS-485扩展接口级联可以挂载128*n个网络节点，极大的提高了系统的通信容量。以往的点对点光纤连接方式需要两个设备对接，而现采用点对多点的主--从光纤方式，多个终端设备共享一个局端设备，而且整个局端设备成本相比以往要节省很多。无源RS-485光网络局端与无源RS-485光网络终端之间采用单根单模光纤双向传输数据信号，节省光纤资源。本发明可以广泛的应用于电力系统的自动电力抄表系统、城市给水系统的水表自动抄表系统、城市燃气自动抄表系统、分布式矿井控制与监测系统、分布式桥梁监测系统、工厂自动化控制系统等相关工业控制领域。
附图说明
图1为本发明系统整体结构示意图；
图2为本发明单端口无源RS-485光网络终端示意图；
图3为本发明多端口RS-485光网络终端示意图；
图4为本发明嵌入式RS-485光网络终端示意图；
图5为本发明三级防雷电路。
具体实施方式
实施例：参见图1至图5，本实施例提供一种无源分光RS-485光纤总线通信方法，其包括以下步骤：
(1)设置RS-485工业光纤总线系统，其包括依次连接的RS-485总线控制端，无源RS-485光网络局端和无源RS-485光网络终端；
(2)设置与步骤(1)所述RS-485工业光纤总线系统连接的用户终端设备，且用户终端设备与无源RS-485光网络终端相连接；
(3)工作时，通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障；
(4)无源RS-485光网络局端，无源RS-485光网络终端及用户终端设备中，每一时刻只有一个设备被允许发送信号，其它设备处于侦听状态；
(5)所有用户终端设备的数据发送请求都由RS-485总线控制端处理，所有用户终端设备只有在接收到RS-485总线控制端发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。
所述步骤(3)具体包括：
(31)RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中逻辑“0”信号为有光信号输出，逻辑“1”信号为无光信号输出，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线电平信号，实现对用户终端设备的控制；
(32)用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”状态，当发送逻辑“1”信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”状态；当发送逻辑“0”时，RS-485总线由逻辑“1”跳变为逻辑“0”状态，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”状态，并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。
所述无源RS-485光网络局端包括电源模块，主控板，多个平面波导型光分路器和多个光口，其中，所述主控板包括RS-232中控接口，RS-485中控接口，两路RS-485级联接口，多个光电转换模块和总线仲裁处理器，所述RS-232中控接口、RS-485中控接口和两路RS-485级联接口连接总线仲裁处理器和RS-485总线控制端，所述多个光电转换模块一端连接总线仲裁处理器，另一端连接平面波导型光分路器一端，平面波导型光分路器另一端连接光口。
所述无源RS-485光网络终端包括单端口RS-485光网络终端、嵌入式RS-485光网络终端和多端口RS-485光网络终端，其中，所述单端口RS-485光网络终端包括依次连接的光口、光电转换模块、高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路；嵌入式RS-485光网络终端包括依次连接的光口、光电转换单元、高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路；所述多端口RS-485光网络终端包括依次连接的光口，光电转换模块，总线仲裁处理器，高速光耦、RS-485接口芯片和三级防雷电路，其还包括与处理芯片相连接的一路上行光纤接口、两路级联光口和两路RS-485级联接口。
所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
所述无源RS-485光网络终端光电转换模块的接收单元将无源RS-485光网络局端发送过来的光信号转换成TTL逻辑电平信号，经相位转换后送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光由输入逻辑状态决定，对高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，并将数据发送RS-485接口芯片驱动到数据总线上；当用户终端设备通过RS-485总线发送数据时，RS-485接口芯片将RS-485电平转换成TTL逻辑电平信号送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光是由输入逻辑状态决定的，对应高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，数据相位转换后送到光电转换模块的发射单元，经局端设备送到RS-485控制端，实现数据的采集。
在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”状态，当发送逻辑“1”信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”状态；当发送逻辑“0”时，RS-485总线由逻辑“1”跳变为逻辑“0”状态，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”状态，并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。
用有光(即光电转换器发射单元的激光器发射出具有一定强度的激光信号)表示RS-485总线逻辑“0”信号，采用无光(即光电转换器发射单元的激光器不发射激光出来，处于关闭状态)表示RS-485总线逻辑“1”信号；任何一个总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障。
所述无源RS-485光网络终端光电转换模块的接收单元将无源RS-485光网络局端发送过来的光信号转换成TTL逻辑电平信号，经相位转换后送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光由输入逻辑状态决定，对高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，并将数据发送RS-485接口芯片驱动到数据总线上；当用户终端设备通过RS-485总线发送数据时，RS-485接口芯片将RS-485电平转换成TTL逻辑电平信号送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光是由输入逻辑状态决定的，对应高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，数据相位转换后送到光电转换模块的发射单元，经局端设备送到RS-485控制端，实现数据的采集。
但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书内容所作的等效步骤及结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)设置RS-485工业光纤总线系统，其包括依次连接的RS-485总线控制端，无源RS-485光网络局端和无源RS-485光网络终端；
(2)设置与步骤(1)所述RS-485工业光纤总线系统连接的用户终端设备，且用户终端设备与无源RS-485光网络终端相连接；
(3)工作时，通过有光表示RS-485总线逻辑“0”信号，无光表示RS-485总线逻辑“1”信号；总线设备在不发送信号时，自身的光电转换模块光发射单元均不能发出超过规定强度的光信号出来，即在发送RS-485总线逻辑“1”时，要具备发射判断功能，防止产生总线混乱而导致无法通信的故障；
(4)无源RS-485光网络局端，无源RS-485光网络终端及用户终端设备中，每一时刻只有一个设备被允许发送信号，其它设备处于侦听状态；
(5)所有用户终端设备的数据发送请求都由RS-485总线控制端处理，所有用户终端设备只有在接收到RS-485总线控制端发送的属于自己的数据发送指令时，才可以进行数据的传送，否则处于静默侦听状态。
2.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
(31)RS-485总线控制端发出控制信号后，由无源RS-485光网络局端将控制信号转换成TTL逻辑信号“0”和“1”后，然后将TTL逻辑信号转换成光信号，其中逻辑“0”信号为有光信号输出，逻辑“1”信号为无光信号输出，并将光信号通过光纤传输至无源RS-485光网络终端，将光信号转换成RS-485总线电平信号，实现对用户终端设备的控制；
(32)用户终端设备反馈的数据，通过无源RS-485光网络终端将数据转换成TTL逻辑信号，然后根据TTL逻辑信号转换成光信号，通过光纤传输至无源RS-485光网络局端，将光信号转换成RS-485总线电平或是RS232电平信号，然后传输至RS-485总线控制端。
3.根据权利要求2所述的无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，在不发送数据时，总线被强制为逻辑“1”状态，当发送逻辑“1”信号时，RS485总线电平不进行跳变，保持逻辑“1”状态；当发送逻辑“0”时，RS-485总线由逻辑“1”跳变为逻辑“0”状态，当发送完逻辑“0”信号后，总线逻辑状态又恢复为逻辑“1”状态，并保持直到下一个逻辑“0”信号的到来。
4.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，整个系统包括无源RS-485光网络局端、无源RS-485光网络终端，无源RS-485光网络终端包括单端口RS-485光网络终端、嵌入式RS-485光网络终端和多端口RS-485光网络终端；无源RS-485光网络局端与无源RS-485光网络终端采用多个平面波导型光分路器进行连接，相互之间基于一种无源分光RS-485光纤总线通信方法进行数据的传输和交换。
5.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，所述光电转换模块包括发射单元和接收单元；发射单元包括激光驱动器和激光器；接收单元包括光电二极管和放大比较电路，发射单元接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“0”时驱动激光器发光，发出逻辑“0”的光信号，在接收到总线仲裁处理器处理过的RS-485总线逻辑电平“1”时，驱动电路不驱动激光器发光，产生逻辑“1”的光信号，接收单元在接收到无源RS-485光网络终端发送来的逻辑“0”光信号，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“1”TTL高电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“0”TTL低电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端，在没有光信号输入时，将此光信号转换成总线仲裁处理器可以处理的逻辑“0”TTL低电平信号，总线仲裁处理器将此信号转化为逻辑“1”TTL高电平信号，送到RS-485总线驱动芯片后传送到RS-485总线控制端。
6.根据权利要求1所述的无源分光RS-485光纤总线通信方法，其特征在于，所述无源RS-485光网络终端光电转换模块的接收单元将无源RS-485光网络局端发送过来的光信号转换成TTL逻辑电平信号，经相位转换后送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光由输入逻辑状态决定，对高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，并将数据发送RS-485接口芯片驱动到数据总线上；当用户终端设备通过RS-485总线发送数据时，RS-485接口芯片将RS-485电平转换成TTL逻辑电平信号送到高速光耦的发光二极管引脚，发光二极管是否发光是由输入逻辑状态决定的，对应高速光耦的光敏器件，将光信号逻辑转换相应的逻辑电平输出，从而实现电气隔离，数据相位转换后送到光电转换模块的发射单元，经局端设备送到RS-485控制端，实现数据的采集。
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