双绞线通讯技术在家庭网络中的应用

韩 留 泰州机电高等职业技术学校 225300

【文章摘要】

本文介绍了双绞线通讯技术，对其优劣进行了分析。详细介绍了如何应用于家庭网络中，开发出了成本低廉，使用方便，功能丰富的自动转换电路，以方便推广双绞线通讯技术。

【关键词】

双绞线；家庭网络；RS485 总线

0 引言

双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质，它不不仅适用于来传输模拟声音信息也适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。

1 技术优势

屏蔽双绞线电缆具有以下优点，因此特别适用于家庭网络：

（1）无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间；

（2）价格远低于同轴电缆和光缆通讯，且安装简单，重量轻、易弯曲、易安装；

（3）将串扰减至最小或加以消除，能满足各种高可靠性的要求；

（4）具有阻燃性；

（5）具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。

（6）传输距离为100 米，能适应各种大楼综合布线系统的需要；

（7）可用于总线型、星型和环型等拓扑结构。

2 存在问题

最典型的双绞线通讯是RS485 总线。RS-485 总线通讯由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用。但RS485 总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此有效解决已存在的问题至关重要。

2.1 雷击和静电冲击

雷击引发的瞬变高压极易破坏传输线上的多个RS-485 收发设备，因此提高系统可靠性的一个重要方法就是有效预防雷击。485 接收器有临界电压，其差分输入端对“地”的共模电压允许-7 ～ +12V，超出此界限的过压瞬变可能损坏设备，引起过压瞬变的原因很多，主要包括雷击、静电放电、电源系统开关干扰等。因此安装能承受高功率的瞬变干扰保护装置是防止过压瞬变损坏装置的重要方法。

2.2 共模干扰问题

RS-485 接口采用差分方式传输信号方式，但系统设计者经常忽略收发器的共模电压范围，例如上述 RS-485 接收器共模电压范围为-7 至+12V，只有电压在临界电压之内，整套设备才能正常工作。当发送器A 向接收器B 发送数据时，A 输出的共模电压为VOS，同时由于A、B 两个接发器的接地系统是独立存在的，因此存在地电位差VGPD，所以接收器输入端共模电压VCM 为：VCM=VOS+VGPD。虽然RS-485 标准规定发送器Q 的共模电压不能高于3V，但VGPD 浮动范围却会很大，从十几伏甚至到数十伏，并可能伴有较强的干扰信号，最终致使接收器共模输入电压超出正常范围，导致传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。

2.3 EMI 问题

发送器输出信号中必须要有一条返回通路，如果没有这样一个较低阻值的通道返回（即信号地），这部分的型号会通过辐射的方式返回源端，使得总线成为一

智能应用

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条天线向外辐射电磁波。RS-485 通讯是以差分的方式来进行传输，可以较好的解决上面的问题。但是在RS-485 整个网络系统在设计时，也必须有一条阻抗较低的返回线路将两部分接口的地连起来，将VGPD 共模干扰电压短路。

高阻型共模干扰模式由于干扰源内阻较大导致其电流较弱，因此干扰电压被短路后一般不会形成强大的接地环路电流，不会对通信千万太大影响，因此适于上述方法能有效解决高阻型共模干扰模式带来的问题。但当共模干扰源内阻较低而导致电流较大时，极易使接地线上形成强大的环路电流，从而影响正常通信，因此上述方法并不适用。对于低阻型共模干扰笔者建议采取以下两种方法来解决：

（1）采用浮地技术。浮地技术是指把引入干扰的节点悬浮使之与大地隔离的抗干扰技术。当时共模干扰内阻很小时，前述技术已不能应用，宜采用浮地技术， 隔断接地环路，这样接地环路就被断开， 形成断路，不会强大的环路电流。这种方法较适用于野外等人烟稀少之处，其缺点是存在一定的安全风险，因此存在一定的适用范围。

（2）采用隔离接口。某些情况由于安全或其它方面因素，不能采用上述的悬浮技术，即必须有接地线路，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。

3 在家庭网络中的应用

在家电网络的实际应用中，网关与家电之间的距离并不是很长，同时家电的数量也是有限的，因此RS-485 的自动换向电路完全可以满足其功能的需求。

此电路通过TXD 来控制收发引脚， TXD 为高时，485 接口芯片处于接收状态， 总线被两个电阻偏置，呈UA>UB。这样如果发1，对方能收到1，接收态的时候，能收到1（停止位）；TXD 为0 时，485 接口芯片处于发射状态，呈UB>UA。这样发0， 对方能收到0, 由于数据帧总是从0 开始， 1 结束，这样就解决了总线收发自动换向的问题。

为防止雷击、静电等外界干扰，我们使用光电隔离方式连接的485 接口，如图3-1。系统中微处理器的UART 串口的RXD、TXD 通过光电隔离电路连接485 芯片的RO、DI 引脚，控制信号读/ 写同样经光电隔离电路去控制485 芯片的DE 和/RE 引脚。

微处理器的读/ 写信号经过光电隔离电路将485 芯片的接收/ 发送端使能；当读/ 写信号为高电平时，485 芯片的DE 和/RE 端为高电平，则处于发送状态，禁止接收，这时微处理器向RS-485 通讯网络发送数据；当读/ 写信号为低电平时， 485 芯片的DE 和/RE 端为低电平，则处于接收状态，禁止发送，这时微处理器接收来自RS-485 通讯网络的数据信息。

如图3-1 所示，提供网络失效保护的有R7 和R9 两个电阻组成，其中R7 电阻连接到A 引脚，为上拉电阻，R8 电阻连接到B 引脚，为下拉电阻，这样上拉、下拉两个电阻相配合就能有效提高RS-485 节点与网络的可靠性。使用DC-DC 器件可以产生一组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向RS-485 收发器电路提供+5V 电源。电路中光耦器件的速率将会影响RS-485 电路的通讯速率。

RS-485 接口处的芯片内部集成了SDE 保护技术，但单一保证模式不能非常有效的保证RS-485 网络系统，为了使RS-485 网络有“双重”及至“多重”保险，还需额外布置若干保护电路，如图3-2。钳位于6.8V 的TVS 管V4、V5、V6 都是用来保护RS-485 总线的，避免RS-485 总线在受雷击、静电、浪涌等外界干扰时产生的高压损坏RS-485 设备。另外，电路中的L1、L2、C1、C2 是用于提高电路的EMI 性能的。图3-3 中附加的保护电路能够对485 接口芯片起到优良的保护效果。

图3-2 485 接口芯片保护电路

多个RS-485 收发器相互连接组成多机的多机网络中每一时刻都只能有块RS-485 收发器处于发送状态，而其他的RS-485 收发器则必须处于接收状态；这种通讯方式称之为单主多从。若在由多机组成RS-485 网络，如果有N（N ≧ 2）收发器处于“发送”状态，那么整个多机网络就会出现问题，轻则数据丢失或运行错误，重则设备损坏，网络瘫痪。基于上述情况， 须对多机系统上电阶段的RS-485 接口电路进行改进，如图3-3。通讯功能仅是RS- 485 接口电路多项功能中的一个，必然要受系统中处理器的控制。当系统处理器在上电时，并不能确定串行通讯接口处于何种状态，这可能会导致上述设备发送“无效”数据，破坏原来正常的网络通讯功能。我们可以在设计中增加上电抑制电路，其由C1、D1、R1、U1 元件组成，可防止在微处理器上电时出现通讯故障。

图3-3 RS-485 接口电路的上电抑制

4 结束语

经过验证，由RS-485 自动换向电路做成的电路板，尺寸很小，接口简单，组网方便，灵活性非常好，有利于双绞线技术在家庭网络中的推广。而且由于其低廉的价格，在家电安装之后，对其现有的价格没有太大的影响，有利于向市场进行推广。

【参考文献】

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[2] 嵇云峰. 信息家电与数字家庭网络体系[J] 国际电器制造商情 2005.1

[3] 嵇云峰. 新型网络家电应用模式 国际电器制造商情[J]2006.10

图3-1 隔离的RS-485 接口电路