如何提高LED顯示屏遠距離通訊的穩定性

     眾所周知，數據傳輸是工業控制領域一個非常重要的環節，數據傳輸的穩定程度直接影響到產品的可靠性。因此如何提高數據傳輸的可靠性和穩定性便成為工程師不得不面對的課題。下面以本公司的LED生產看板顯示屏項目實施過程中出現的問題為例闡述一下在使用RS-485作為遠距離數據通訊手段時要注意的事項。     本項目中的LED看板顯示屏是安裝在生產車間用來顯示實際產量和目標產量的看板，6塊規格相同的顯示屏分布在6個車間。相鄰車間之間電纜線長度大概在150~200m之間。距離之長加上車間里運行的電機的干擾，使得LED看板顯示屏通訊不正常，從而頻繁出現亂碼的現象。

    經過仔細的分析，多次的試驗，我們先后從多方面著手：硬件電路的改進、上位機和下位機通訊協議的改進，最終順利地解決了這個問題。下面將最終解決問題的關鍵點進行詳細的分析和說明。

    1、信號在傳輸過程中的衰減

    不難理解，信號無論借助何種介質傳輸，都會在傳輸過程中產生衰減。我們可以把RS-485傳輸電纜看成是由若干個電阻、電感和電容聯合組成的等效電路。  

    導線的電阻對信號的影響很小，可以忽略不計。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導線產生。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。通訊波特率越高，信號衰減也會越大。

    因此，在傳輸數據量不是很大，傳輸速率要求不是很高的情況下，通常我們采用9600bps的波特率。

    2、通信線路中的信號反射

    除了信號衰減之外，影響信號傳輸的另一個因素是信號反射。阻抗不匹配和阻抗不連續是導致RS-485總線形成信號反射的兩個主要原因。

    ①阻抗不匹配，阻抗不匹配主要是485芯片與通訊線路之間的阻抗不匹配。之所以引起反射是因為在通訊線路空閑時，整個通訊線路信號雜亂無章，一旦此類反射信號觸發了485芯片輸入端的比較器，就會產生錯誤的信號。我們通常的解決方法是將RS-485總線的A、B線加上一定阻值的偏置電阻，分別拉高和拉低，這樣就不會出現不可預知的雜亂信號了。

    ②阻抗不連續，顧名思義，與光從一種媒質進入另一種媒質時所引起的反射是相似的。信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。消除這種反射最常用的方法，是在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端同樣要跨接一個相同大小的終端電阻。  

    通過這種方法可以一定程度減弱信號反射的影響。但是，在實際應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環境有關，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此我們不能完全避免信號反射的發生。

    3、分布電容對RS-485總線傳輸性能的影響

    RS-485傳輸電纜通常多為雙絞線，雙絞線的兩條平行導線之間即會產生電容。同時，電纜和大地之間也同樣存在類似很小的電容。由于RS-485總線上傳輸的信號是由無數的“1”和“0”位所組成的，所以當遇到0x01等特殊字節時，電平“0”使得分布電容得到充足的時間充電，而當電平“1”突然來到時，電容集聚的電荷不能在短時間之內放掉，因此導致信號位的變形，從而影響了整個數據傳輸的質量。

    所以，一方面我們要盡量選用分布電容較小即質量較好的線纜作為通信線，另一方面盡量降低通訊的波特率，給電容充足的時間去放電。

    4、制定簡單可靠的RS-485通訊協議

    當通訊距離較短，應用環境干擾小的情況下，我們有時只需要簡單的單向通訊就能實現項目的所有功能，但是大部分應用環境并非如此理想。項目前期綜合布線的是否專業（比如信號線與動力線要保持一定的距離）、通訊距離的不可決定性、通訊線路周圍干擾程度、通訊線是否采用雙絞屏蔽線等等，這些因素都給系統的正常通訊帶來極大的影響。于是，制定一套完善的通訊協議就顯得尤為重要了。

    具體方法是將數據分包傳輸，通過將每包數據加上幀頭和幀尾的方式將數據打包，其中幀尾留一個字節作為校驗字節。下位機通過將自己計算的校驗字節與上位機傳輸過來的校驗字節作比較，從而給上位機發出指令，到底是重新發送剛剛那包數據還是接著下發下一包數據，就這樣一包發完再發下一包，直至發完為止。通過這樣一種校驗重發機制，我們就可以擯棄掉出錯的概率，使得通訊系統正常運行。

    5、結語

在整個項目整改過程中，我們先后采用了以下手段：由于通訊線和動力電源線之間距離很近，且通訊線無屏蔽層，所以我們對所有通訊線纜進行更換；上位機和下位機均將通訊波特率設成可調，這樣可以根據調試過程中具體情況選擇合適的值；將通訊協議作了一些優化；通訊線纜的兩端加上120Ω.