1、智能电能表 RS485 接口设计方案综述张志，李琮琮，王平欣，代燕杰 （国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250001）摘要：随着国家电网公司用电信息采集系统“全采集”建设目标的推进，对采集成功率的要求越来越高。影响用电信息采集系统采集成功率的因素很多，但近年来由于电能表 RS485通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势，因此保证 RS485 接口设计方案的合理性及可靠性至关重要。文章对目前智能电能表 RS485 通信接口设计方案进行了分析和总结，给出了各种方案的设计原理，结合现场实际使用情况，对方案的优缺点进行了综合评述，从 RS485 芯片本身、数据接收灵敏度、带载能力、通信
2、可靠性等多方面对 485 接口设计提出了建议及解决方案。关键词：智能电能表；RS485 接口；采集成功率中图分类号：TM93 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00Overview of design for the RS485 interface of smart meterZhang Zhi, Li Congcong, Wang Pingxin, Dai Yanjie(State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250001, China)Abstract：The deman
3、d of acquisition success rate is higher and higher with the progress of the goal of the construction of all acquisition in SGCC. There are many factors which can affect the acquisition success rate, but in recent years, the acquisition failure phenomenon is on the rise because of the unreasonable de
4、sign of RS485 interface which design are analyzed and summarized. So its vital to ensure the reasonbility and reliability of the design scheme for RS485 interface. The design principle of various schemes are given, and the advantages and disadvantages of the scheme are conducted with the combination
5、 of actual usage on field. Suggestions and solutions are put forward from RS485 chip itself , data receiving sensitivity, on load capacity, and communication reliability for RS485 interface design.Keywords: smart meter, RS485 interface, acquisition success rate0 引 言随着国家电网公司用电信息采集系统“全采集”建设目标的推进，对采集成功
6、率的要求越来越高 1-2。影响用电信息采集系统采集成功率的因素很多，但近年来由于电能表 RS485 通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势。作为智能电能表重要的通信单元，RS485 接口设计方案的合理性及可靠性对采集成功率的影响至关重要，对电能表乃至整个集抄系统的安全经济运行都有重要意义。受成本、元器件质量等因素的制约，有些电能表生产厂家在 RS485 接口设计上并没有考虑数据接收灵敏度、通信可靠性等对采集成功率的影响。如果 RS485 接口设计不合理，会影响对用户用电数据的监测，且 RS485 接口设计不合理造成采集失败的现象带有一定隐蔽性，给采集故障的发现带来一定难度，增加了现场运
7、维人员的工作量。故鉴于目前 RS485 接口设计方案各不相同，文章对各种设计方案进行了详细总结分析，指出了各方案的优点及存在的不足，为智能电能表的推广及进一步开展采集工作提供一些借鉴。1 RS485 接口概述RS485 是一个多发送器的串行通信接口标准，通信接口共用两根平衡的通信线构成通信总线，允许在平衡的双导线上一个发送器驱动多个并联的负载设备，所有RS485 通信采用半双工工作方式，一个设备发送，其它设备只能处于接收状态（见图 1） 。一般 RS485 芯片在 54 欧姆的负载上都能提供最小 1.5V 的差分输出电压，而RS485 接收器则必需能检测到最小为200mv 的差分电压输入，这两
8、个值为可靠数据传输提供了足够的裕度，即便信号经过线缆和连接器发生严重衰减时亦如此 3-5。图 1 RS485 芯片管脚及逻辑框图Fig.1 Chip pins and logic block diagram由 RS485 芯片管脚逻辑图和描述可知RS485 芯片标准接法必须要有接收、发送、方向控制三个管脚，当发送数据时禁止接收，发送完毕后才能接收。2 RS485 接口设计方案2.1 三光耦方案RS485 接口一般采用光耦实现通信口与主系统之间的隔离，标准接法为三光耦隔离方案如图 2 所示，发送数据时 CPU 置RS485 芯片为发送状态，此时总线电平由发送驱动器驱动。图 2 三光耦原理图Fig
9、.2 Principle diagram of three optocouplers 当采集器和电能表都采用图 2 所示电路时，不管是采用有极性 RS485 芯片还是无极性 RS485 芯片，因为发送数据时总线有芯片驱动器驱动，带载能力非常强，通信都是可靠的。只是电能表采用无极性RS485 芯片时，因为要支持 AB 线正反都可以通信，电能表内部总线不能加上下拉电阻，但是需要采集器采用有极性 RS485芯片，且采集器总线要加上下拉电阻来维持非通信状态下的总线电平极性，从而使电能表的 RS485 芯片能够判断出总线极性来决定内部极性是否翻转。2.2 双光耦方案三光耦方案电路比较可靠，驱动能力强传输
10、距离远，但是有些厂家为了压缩成本而采用双光耦方案，电路原理图如图 3所示。图 3 双光耦原理图Fig.3 Principle diagram of twodouble optocouplers由图 3 可以看出，MCU 的数据发送管脚为 RS485 芯片的方向控制，RS485 芯片的发送数据管脚直接接 GND。当发送数据位“0” 时，RS485 总线是有驱动的，总线电平由驱动器驱动；当发送数据位“1”时，RS485 芯片直接被设置成接收状态，总线没有驱动器驱动，总线电平只能靠每个芯片的上下拉电阻维持，驱动能力非常弱。有极性 485 芯片采用双光耦方案时，因发送数据“1”时总线没有驱动，每块电能
11、表的 485 总线必须加上下拉电阻来维持总线电平。若上下拉电阻选择合理，总线挂载电能表数量不太多，通信距离不远时是可以保证通信质量的；若上下拉电阻选择不合理，阻值偏大时因 485 传输线存在寄生电容，信号的上升沿和下降沿时间都比较大，信号质量很差。特别是远距离传输时通信成功率很差，当上下拉电阻的阻值偏小，总线挂载的电能表数量较多时总线负载就很大，超过芯片的负载能力就会导致总线电平不能翻转，导致通信失败。无极性 485 芯片采用双光耦方案时，若采集器上下拉电阻的阻值较大，因 485传输线存在寄生电容而电能表总线又无电阻驱动，信号的上升沿和下降沿就会非常缓，信号质量很差，通信可靠性非常低；若采集器
12、上下拉电阻的阻值较小，上下拉能力就较强，若总线挂载电能表数量不太多，通信距离不远时是一般可以保证通信质量。2.3 有极性 485 和无极性 485 芯片混用在采集器设计合理（三光耦方案、上下拉电阻取值合理） ，总线挂载电能表数量不太多，传输线比较标准寄生电容较小的情况下。无极性电能表介入有极性网络，不会增加原网络的负载状况，与主端（采集器）通讯没问题；若是有极性电能表介入无极性网络，在不接错极性的情况下通信也没问题。目前现场运行的采集器特别是 2013 年之前的采集器很多采用双光耦方案，兼容性不强，混用的话通信可靠性不高。但是2014 年之后的采集器为了兼顾无极性 485芯片大部分都采用了三光
13、耦方案，也不能排除少数还在采用双光耦方案。3 RS485 接口测试普通 RS485 芯片在 54 负载上都能提供最小 1.5V 的差分输出电压；而 RS485 接收器则能检测到最小为 200mv 的差分输入6-7。3.1 静态测试有极性 RS485 芯片接口在非通信状态下不管是采集器还是电能表都处于接收状态，总线 AB 之间的电压差靠上下拉电阻维持，在没有负载电阻情况下即 AB 端悬空的情况下 AB 之间的压差都能达到 4.5V以上。无极性 RS485 芯片因为没有上下拉电阻测量 AB 总线电压为 0V。在加上 54负载电阻的情况下有极性、无极性 485 的AB 线差分电压都为 0V，静态测试
14、一般意义不大。3.2 发送带载能力测试电路原理图如图 4 所示。图 4 接口带载能力测试原理图Fig.4 Principle diagram of sendon load capacity of interface在 RS485 接口上 AB 之间端接接一只54 的负载电阻（下图 RL） ，通信时用示波器测量 AB 线之间电压差。通用的 RS485 接口保护用热敏电阻阻值一般为 50 左右，为了安全性和阻抗对称一般采用双热敏电阻保护（双热敏电阻可以防止交流电接到所有 485 接口的任意管脚之间而不损坏设备，当大于 1 路 485接口时单热敏电阻做不到任意两线之间接交流电不损坏） 。测试时将 5
15、4 电阻端接在电能表端子输出 AB 线间，相当于 485 芯片 AB 线间带载 154 左右。端子总线输出电压为 54负载电阻与热敏电阻的分压，此输出电压与 485 接口保护方案（热敏电阻个数、阻值） 、芯片的带载能力息息相关。其中，双热敏电阻保护方案分压小但安全性高；单热敏电阻保护方案分压大但安全性低。对于 RS485 芯片参数一般都相差不大，20mA负载时芯片 AB 线压差一般不超过 3V。3.2.1 三光耦、双热敏电阻方案带载能力示波器测量电能表端子 A 线、 B 线电压及 AB 线之间压差如图 5 所示。A 线与 G N D 波形B 线与 G N D 波形A B 之间差分电压波形图 5
16、 双热敏电阻带载能力电压波形Fig.5 Voltage waveform of twodouble thermistors load capacityCH1 为 A 线与 GND 波形， CH2 为 B线与 GND 波形，Math 为 AB 之间差分电压波形。双热敏电阻保护时，电能表端子输出 AB 线之间电压差约为 1V，A 线、B线电压波形几乎一致，AB 线之间正负差分电压波形对称。只要电压差在 1V 左右，正负差分电压波形对称、波形的上升沿和下降沿陡峭整齐，可以认为带载能力比较强。3.2.2 三光耦、单热敏电阻方案带载能力示波器测量电能表端子 A 线、 B 线电压及 AB 线之间压差如图
17、6 所示：CH1 为A 与 GND 波形，CH2 为 B 与 GND 波形，Math 为 AB 之间差分电压波形。A 线与 G N D 波形B 线与 G N D 波形A B 之间差分电压波形图 6 单热敏电阻带载能力电压波形Fig.6 Voltage waveform of onesingle thermistors load capacity当采用单个热敏电阻（多见于单相表等单路 485 接口的设备）保护方案时负载电阻的分压能够大一些，电能表端子输出AB 线之间电压差约为 1.4V 如图 6，A 线、B 线电压波形不一致，一个波动大、另一个波动比较小， （如上图黄线、蓝线，可以区分单热敏电阻
18、和双热敏电阻保护） ，AB线之间正负差分电压波形对称（上图红线） 。单热敏保护时只要差分电压差在 1.3V 左右，正负差分电压波形对称、波形的上升沿和下降沿陡峭整齐基本上可以认为带载能力比较强。3.2.3 双光耦方案带载能力示波器测量 AB 线电压及 AB 线之间压差如图 7 所示：CH1 为 A 与 GND 波形，CH2 为 B 与 GND 波形，Math 为 AB 之间差分电压波形。当采用双光耦方案时，因发送数据位“1”时总线没有驱动器驱动，AB 线差分电压接近于 0V（可以判断是否是双光耦方案），如图 7 红线所示：虽然 AB 线电压波形一致，但是 AB 线之间差分电压不对称，总线驱动能
19、力非常弱，不推荐使用此方案。A 线与 G N D 波形B 线与 G N D 波形A B 之间差分电压波形图 7 双光耦方案带载能力电压波形Fig.7 Voltage waveform of twodouble optocouplers load capacity对于数据的接收灵敏度测试，可将RS485 接口输出端与 2 只串联的可调电阻连接，使输出差分电压为200mV，连接到待测电能表 RS485 接口进行通信测试，若电能表能够正常解析报文发送出数据，即可认为电能表接收灵敏度比较高。3.3 匹配电阻的使用建议120 电阻的主要功能为防反射， 485接口仅在高速 1Mbps 时才需要防反射电阻，
20、对于通信速率低于 1Mbps 而且总线长度较短的应用环境，不需要加 120 的匹配电阻，此电阻加上后，只会增加总线功耗。经验表明，当信号的转换时间、上升或下降时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的 3 倍以上时就可以不加匹配。例如具有有限斜率特性的 RS-485 接口器件输出信号的上升或下降时间最小为 250ns，典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns(24AWG PVC 电缆)，那么只要数据速率在 100kbps 以内，电缆长度不超过 100米，就可以不考虑匹配 8-10。在电能表的应用中通信速率一般都小于 9600bps，电缆长度只要不超过 300 米一般就不需要接匹配电阻。4 结束
21、语由于电能表 RS485 通信接口设计不合理造成采集失败的现象呈上升趋势，故论文对目前智能电能表 RS485 通信接口设计方案进行了分析和总结，结合现场实际使用经验，对方案的优缺点进行了综合评述，从芯片本身、数据接收灵敏度、带载能力、通信可靠性等多方面对 485 接口设计提出了建议。此外，外部因素如雷击、电磁干扰等对 485 接口的影响也至关重要，也是造成采集失败的原因之一，所以如何避免外部因素对 485 采集造成影响成为下一步研究的关键。参 考 文 献1 刘振亚. 智能电网技术 M. 北京: 中国电力出版社, 2010.2 胡江溢, 祝恩国, 杜新纲, 等. 用电信息采集系统应用现状及发展趋
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