Eia-485總線系統(tǒng)中的沖突檢測的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于智能電子設(shè)備（IED）的通信模塊，其實現(xiàn)EIA-485標(biāo)準并且以智能硬件支持為特征，該智能硬件支持允許常規(guī)的基于軟件的沖突檢測功能獨立于傳輸線上的消息源的位置來檢測沖突。硬件支持啟用“強信號驅(qū)動”模式以及“弱信號驅(qū)動”模式兩者。在弱模式中，偏置或衰減或分壓電阻器暫時插入傳輸器或電壓源與傳輸線之間。
【專利說明】EIA-485總線系統(tǒng)中的沖突檢測

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)RS-485的總線系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)通信的領(lǐng)域，并且具體地涉及這樣 的系統(tǒng)中的消息沖突檢測。

【背景技術(shù)】
[0002] EIA-485 (也稱為RS-485)標(biāo)準限定平衡多點通信，其可以被不同類型的串行通信 協(xié)議使用。EIA-485關(guān)于接口的電特性并且未規(guī)定特定協(xié)議，它也未指特定連接器或沖突檢 測或沖突避免技術(shù)。根據(jù)EIA-485的總線系統(tǒng)可包括多至32個(單位負載）設(shè)備并且總線 的長度在115200位/s或更高的波特率的情況下可多至1200米。盡管EIA-485規(guī)定為半 雙工（HD)傳輸，通信可以通過應(yīng)用四線連接而變成全雙工（FD)。
[0003] 沖突消息使每一個通信鏈路上的數(shù)據(jù)吞吐量明顯減少。首先，至少兩個消息在沖 突中丟失。其次，大部分協(xié)議具有適當(dāng)?shù)闹貍骷夹g(shù)，其可導(dǎo)致另外的沖突。理想地，沖突應(yīng) 使用例如具有沖突避免的載波感測多址（CSMA)等適合的沖突避免技術(shù)而避免。但甚至在 具有良好的沖突避免度量的情況下，沖突仍可能出現(xiàn)并且應(yīng)正確地被檢測。
[0004] 在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)，通常經(jīng)由或通過EIA-485使用的協(xié)議是DNP 3. 0,其允許 從設(shè)備采用非協(xié)調(diào)的方式（叫作"DNP未經(jīng)請求模式"）傳輸消息。在該情況下，必要地是識 別沖突，因為如果需要發(fā)送高優(yōu)先級事件消息，總線上的任何數(shù)據(jù)速率下降尤其是不可接 受的。
[0005] 圖1描繪具有連接到總線(其包括正線A和負線B)的EIA-485收發(fā)器的典型HD 設(shè)置。為了確保故障安全EIA-485通信，分別在線A與Vcc (例如，3. 3或5伏）之間和線B 與GND (接地)之間提供永久的上拉和下拉電阻器RA、RB，以便使數(shù)據(jù)線偏置到限定狀態(tài)。終 端電阻器R T可在總線端處使用來避免由高波特率和快轉(zhuǎn)換速率引起的反射。
[0006] 圖2描繪對于圖1的收發(fā)器布線的典型定時圖，其中'1'叫作'符號'并且'0'叫 作'間隔'。只要在線路上沒有業(yè)務(wù)(空閑狀態(tài))，線路在連續(xù)傳輸符號或'1'。起始位是'〇' (間隔）并且停止位再次是'1'（符號)。因此，在每一個字開始時將總是存在從符號到間隔 的過渡。這樣,接收器可以總是使它的時鐘同步而不管數(shù)據(jù)內(nèi)容如何。
[0007] 許多EIA-485實現(xiàn)包括基于軟件的沖突檢測原理，其中傳輸數(shù)據(jù)TX_D (其例如由 通用異步接收器/傳輸器（UART)提供）與由接收器在傳輸數(shù)據(jù)TX_D的傳輸期間記錄的接 收數(shù)據(jù)RX_D相比較。如果數(shù)據(jù)不相關(guān)，用信號表示沖突的出現(xiàn)。然而，這樣的技術(shù)方案僅 在沖突信號與傳輸信號充分疊加時是適合的。在具有超出幾百米的長傳輸線和/或具有差 質(zhì)量的電纜的EIA-485設(shè)置中，一個傳輸器可表現(xiàn)得比另一個更強。具體地，在兩個傳輸器 在總線的遠端定位的情況下沖突可保持不被檢測。
[0008] 圖3描繪具有1000m總線長度并且包括兩個相鄰IED 1和2以及遠程IED 32的 EIA-485總線系統(tǒng)的示范性設(shè)置。
[0009] 圖4示出在圖3的總線系統(tǒng)上傳輸?shù)慕Y(jié)果，其中IED 1在接收，而IED 2和IED 32 都在傳輸。顯示的四個信號從上到下地包括來自IED 2的傳輸信號（TX2_D)、從遠程IED 32 傳輸?shù)男盘枺═X32_D)、在IED 1和IED 2附近的總線上所得的疊加信號（Vbus)和在IED 1 內(nèi)部RS-485接收器處如通過區(qū)分而從Vbus獲得的接收信號（RX1_D)。如從RX1_D顯而易 見的，TX32_D未強到足以明顯影響Vbus。也就是說，TX2_D占主導(dǎo)地位并且用來自遠程IED 32的消息掩蓋沖突。
[0010] 重要地是注意IED 2和IED 32中的EIA-485收發(fā)器用相同的強度驅(qū)動它們的信 號。然而，傳輸線的阻抗在信號能量從一個總線端行進到另一個時使來自IED 32的信號能 量減少。在到達IED 1和IED 2時，信號未強到足以充分與本地信號疊加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目標(biāo)是促進在根據(jù)EIA-485操作的通信總線系統(tǒng)中（特別在具有擴展的 總線拓撲(其包括兩個消息源之間超出幾百米的傳輸線距離）的變電站自動化系統(tǒng)中）的消 息沖突檢測。該目標(biāo)由促進消息沖突檢測的方法和根據(jù)獨立權(quán)利要求的通信模塊實現(xiàn)。優(yōu) 選實施例從從屬專利權(quán)利要求顯而易見，其中權(quán)利要求從屬性不應(yīng)解釋為排除另外的有意 義的權(quán)利要求組合。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的方面，對于實現(xiàn)EIA-485標(biāo)準的智能電子設(shè)備（IED)的通信模塊提 供有智能硬件支持，其允許常規(guī)的基于軟件的沖突檢測功能獨立于傳輸線上消息源的位置 來檢測沖突。硬件支持啟用"強信號驅(qū)動"模式以及"弱信號驅(qū)動"模式兩者。在弱模式中， EIA-485偏置或衰減或分壓電阻器暫時插入傳輸器或電壓源與傳輸線之間。
[0013] 通過示例，例如任何起始位等有效位和任何'間隔'或' 0 '數(shù)據(jù)位采用強模式傳輸。 在每個"符號"或' 1 '數(shù)據(jù)位開始時的過渡期期間，強模式同樣被啟用，在這之后傳輸模式通 過激活偏置電阻器而變成弱模式。這最終允許檢測由另一個傳輸器誘發(fā)的沖突。理想地， 提出的沖突檢測促進技術(shù)結(jié)合適合的沖突避免機制(例如CSMA) -起使用。
[0014] 具體地，根據(jù)EIA-485操作的通信總線系統(tǒng)中的消息沖突檢測(其中信號傳輸器 連接到傳輸線中的兩個線用于傳輸二進制信號，該二進制信號包括第一位("間隔")、后跟 與該第一位不同的第二位("符號")）包括以下步驟： -持續(xù)對應(yīng)于第一位的持續(xù)時間的時段地將指示第一位或?qū)Φ谝晃痪幋a的第一電壓施 加于或提供給傳輸線， -在比第二位的持續(xù)時間更短的過渡期期間將指示第二位的第二電壓施加于傳輸線， -在過渡期之后并且優(yōu)選地持續(xù)第二位的持續(xù)時間的剩余部分地將同樣指示第二位的 第三電壓施加于傳輸線，其中該第三電壓可等于第二電壓，并且其中偏置或衰減或分壓電 阻器在傳輸器或電壓源(其提供第三電壓）與傳輸線之間提供，以及 -由連接到傳輸線的接收器檢測第三電壓與來自遠程干擾消息源的信號的疊加，即，在 偏置電阻器與遠程消息源之間的通信總線系統(tǒng)的位置處。
[0015] 在本發(fā)明的有利實施例中，第三電壓由與施加第二電壓的傳輸器不同的弱模式傳 輸器施加于傳輸線。偏置電阻器永久地布置在弱模式傳輸器與傳輸線之間，并且從而不必 切換或用別的方式激活/失效。
[0016] 在本發(fā)明的優(yōu)選變化形式中，第二電壓具有反向極性或相反符號的第一電壓，并 且過渡期的持續(xù)時間足以使在整個線路長度上傳輸線的極性反向。因此，過渡期大體上短 于五微秒，特別地短于2微秒，并且典型地等于大約一微秒。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 本發(fā)明的主旨將在下列正文中參考在附圖中圖示的優(yōu)選示范性實施例更加詳細 地說明，其中： 圖1示意地示出常規(guī)EIA-485 HD設(shè)置； 圖2是對于圖1中的收發(fā)器布線的定時圖； 圖3描繪具有多至32個IED的EIA-485總線系統(tǒng)； 圖4描記由圖3的總線系統(tǒng)上的傳輸產(chǎn)生的四個信號； 圖5示意地示出具有兩個RS-485線路驅(qū)動器的EIA-485實現(xiàn)； 圖6是對于圖5中的收發(fā)器的定時圖；以及 圖7描記由根據(jù)本發(fā)明的傳輸產(chǎn)生的四個信號。

【具體實施方式】
[0018] 圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的示范性EIA-485 HD設(shè)置。兩個優(yōu)選相同的傳輸器或線路 驅(qū)動器在該配置中使用。主傳輸器10相對于圖1的配置保持不變，其中主傳輸器10的輸 出Y1連接到傳輸線的線A，并且輸出Z1連接到線B。接收器11具有連接到線A的第一輸 入A1和連接到線B的第二輸入B1。偏置傳輸器20與主傳輸器10并行地并且經(jīng)由偏置電 阻器RA、RB連接到傳輸線。具體地，偏置傳輸器20的輸出Y2經(jīng)由第一偏置電阻器RA連接 到傳輸線的線A，而輸出Z2經(jīng)由偏置電阻器RB連接到線B。數(shù)據(jù)信號TX_D和BIAS_P0L輸 入到兩個RS-485傳輸器10、20,其中主傳輸器的傳輸數(shù)據(jù)流TX_D優(yōu)選地也用作偏置傳輸器 BIAS_P0L的輸入。兩個線路驅(qū)動器連接到專用可編程門陣列（FPGA或CPLD，未描繪)，從而 提供需要的控制信號TX_EN和BIAS_EN。
[0019] 偏置電阻器RA、RB的操作由傳輸器控制以在選擇的"敏感"或"脆弱"期期間采用 "弱模式"驅(qū)動傳輸線。弱驅(qū)動包括將傳輸器的驅(qū)動電壓連續(xù)施加于偏置電阻器和傳輸線。 因此，偏置電阻器處的電壓降在幅度方面變得與在傳輸線的遠程端處施加的非偏置驅(qū)動電 壓所經(jīng)受的電壓降相當(dāng)。在偏置電阻器與遠程傳輸器之間連接到傳輸線的接收器從而將能 夠檢測由于沖突信號的疊加而引起的傳輸信號的衍生或減損。從而，在發(fā)送設(shè)備處檢測到 沖突信號并且可用信號表示沖突。
[0020] 圖5中的陰影矩形指示對于沒有專用偏置傳輸器20的單收發(fā)器變化形式中的偏 置電阻器的備選位置。在該變化形式中，偏置電阻器插入第一傳輸器的輸出Y1和Z1與連 接到接收器輸入的線A、B上的相應(yīng)歧點（T點)之間。插入這樣的備選位置中的偏置電阻器 必須被繞過或用別的方式采用強驅(qū)動模式失效。
[0021] 圖6描繪對于在圖5中示出的收發(fā)器布線的示范性定時圖。具體地，主線路驅(qū)動 器的傳輸使能引腳TX_EN只要需要它用于傳輸"間隔"和用于使電壓水平或極性從"間隔" 轉(zhuǎn)成"符號"就是有效的。一旦對應(yīng)于"符號"的電壓水平已經(jīng)在整個總線中建立(在幾微秒 后大體上是這樣的)，主傳輸器10被停用。永久啟用的偏置傳輸器20持續(xù)"符號"區(qū)間的剩 余持續(xù)時間地弱驅(qū)動傳輸信號。大體上，RX1_D僅在從強變化到弱驅(qū)動模式時才明顯減少。
[0022] 偏置驅(qū)動器的偏置使能引腳BIAS_EN從起始位直到最后的字符留下UART ("字節(jié) 使能")之后的某一預(yù)設(shè)時間都是有效的。偏置支持應(yīng)在發(fā)送消息之后立即被停用以便不使 具有多個"偏置支持器"的總線過載。
[0023] 偏置電阻器值的選擇取決于傳輸線的類型，即電纜特征阻抗。因此，允許選擇的值 略微從標(biāo)準120歐姆減損，但大體上被認為保持在100至150歐姆之間。
[0024] 圖7示出圖3的總線系統(tǒng)上修改的傳輸?shù)慕Y(jié)果，其中IED 2和IED 32兩者都在傳 輸。描繪的四個信號從上到下地包括從IED 2 (TX2_D)和從遠程IED 32 (TX32_D)傳輸?shù)?信號、總線上或IED 2處或接近IED 2所得的疊加信號（Vbus)以及從前者得到的由IED 2 內(nèi)部的接收器確定的接收信號（RX2_D)。由于IED 2的偏置電阻器，從遠程IED 32傳輸?shù)?信號在IED 2處具有值得注意的影響。例如，在指示由IED 32傳輸?shù)牡谝?符號"的結(jié)束的 時間t2處，并且近似與由IED 2傳輸?shù)牡诙?符號"的中間一致，疊加信號Vbus顯著下降， 并且區(qū)分的接收信號回到低。因此，IED 2可確定傳輸信號與接收信號之間的差異，并且推 斷已經(jīng)出現(xiàn)沖突。
[0025] 為了完整性，注意時間標(biāo)度對應(yīng)于幾微秒的位長和300的波特率。由于該原因，持 續(xù)幾微秒的初始強驅(qū)動部分在tl處僅導(dǎo)致疊加信號和接收信號中的窄尖峰。
【權(quán)利要求】
1. 一種促進根據(jù)EIA-485操作的通信總線系統(tǒng)中的消息沖突檢測的方法，其中信號傳 輸器（10, 20)連接到傳輸線（A，B)用于傳輸二進制信號（TX_D)，所述二進制信號（TX_D)包 括第一位、后跟第二位，所述方法包括： -將指示所述第一位的第一電壓施加于所述傳輸線， -在比第二位的持續(xù)時間更短的過渡期期間將指示所述第二位的第二電壓施加于所述 傳輸線， -在所述過渡期之后的弱驅(qū)動期期間將指示所述第二位的第三電壓經(jīng)由偏置電阻器 (RA，RB)施加于所述傳輸線，以及 -由連接到所述傳輸線的接收器（11)檢測所述第三電壓與來自干擾消息源的信號的 疊加，所述干擾消息源連接到所述傳輸線。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括： -在所述過渡期期間由第一傳輸器（11)將所述第二電壓施加于所述傳輸線， -在所述過渡期之后停用所述第一傳輸器，以及 -由第二傳輸器（20)施加所述第三電壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述過渡期短于五微秒，并且優(yōu)選地短于兩微秒。
4. 一種對于根據(jù)EIA-485操作的通信總線系統(tǒng)中的IED的通信模塊，包括能連接到傳 輸線（A，B)用于傳輸二進制信號（TX_D)的信號傳輸器（10,20)，所述二進制信號（TX_D)包 括第一位、后跟第二位，所述通信模塊適于 -將指示所述第一位的第一電壓， -在比所述第二位的持續(xù)時間更短的過渡期期間，將指示所述第二位的第二電壓，以及 -在所述過渡期之后的弱驅(qū)動期期間并且經(jīng)由偏置電阻器（RA，RB)，將指示所述第二 位的第三電壓 施加于所述傳輸線。
5. 如權(quán)利要求4所述的通信模塊，包括 -第一傳輸器（10)，用于在所述過渡期期間將所述第二電壓施加于所述傳輸線，以及 -第二傳輸器（20 )，用于將所述第三電壓施加于所述傳輸線。
6. -種具有多個智能電子設(shè)備IED的變電站自動化SA系統(tǒng)，其連接到站總線并且經(jīng) 由EIA-485根據(jù)DNP 3. 0通信，其特征在于，所述IED包括如權(quán)利要求4或5所述的通信模 塊。
【文檔編號】H04L25/02GK104145256SQ201380012650
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月5日
【發(fā)明者】C.赫克羅特, H.平德 申請人:Abb 技術(shù)有限公司