新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組通訊信號(hào)線束的電阻檢查、影響因素與類型布置

 

摘要：通訊電纜一般受外界干擾小，通信容量較大，傳輸頻帶較寬，但不易檢修。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)通信電纜電阻測量時(shí)，在測量前必須把待測部件斷電，為此應(yīng)斷開柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)蓄電池的接線，等待約3分鐘，直到系統(tǒng)中的所有電容器放完電。發(fā)動(dòng)機(jī)通信電線信號(hào)僅僅用于設(shè)備本身的通訊，對于技術(shù)人員來說，了解柴油發(fā)電機(jī)組總線通信更是排除設(shè)備故障技術(shù)優(yōu)先項(xiàng)。因此，康明斯公司也在本文中闡述了RS-485總線規(guī)范，描述了影響RS-485總線通信速率和通信可靠性的三個(gè)因素，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決方法并討論了柴油發(fā)電機(jī)組總線負(fù)載能力和傳輸距離之間的具體關(guān)系。

 

一、發(fā)動(dòng)機(jī)通信電纜的類型

 

1．串行電纜

      數(shù)據(jù)線適配器與計(jì)算機(jī)交互時(shí)需要使用串行電纜，其各觸針功能如圖1所示。使用測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3822758和3822917）可避免串行電纜觸針損壞。

      測量電阻時(shí)，在串行電纜陰端觸針1上插入測試導(dǎo)線，并將其與萬用表表筆連接，將另一根測試導(dǎo)線連接到串行電纜陽端觸針1，并將其連接到萬用表表筆。測量電阻時(shí)，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。對觸針2至觸針9重復(fù)電阻測量步驟。萬用表必須在每個(gè)觸針上顯示為閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應(yīng)更換串行電纜。

2．基準(zhǔn)標(biāo)定線束

      基準(zhǔn)標(biāo)定線束如圖2所示。

      為了避免損壞插頭觸針，應(yīng)在8針插頭上使用零件號(hào)為3823993的測試導(dǎo)線，在9針插頭上使用零件號(hào)為3823994的測試導(dǎo)線，在3針插頭上使用測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3824812）。

      測量8針接頭中每個(gè)觸針與9針和/或3針插頭中相應(yīng)位置之間的電阻，萬用表必須顯示為閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應(yīng)更換基準(zhǔn)標(biāo)定線束。

 

1-打開 2-發(fā)送數(shù)據(jù) 3-接收數(shù)據(jù) 4-數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（+5V）  5-信號(hào)搭鐵 6-打開 7-請求發(fā)送（+5V）  8-取消發(fā)送 9-打開 圖1 串行電纜各觸針的功能

1-J1939數(shù)據(jù)通信（+） 2-J1939數(shù)據(jù)通信（屏蔽）3-蓄電池（+） 4-蓄電池（-）5-鑰匙開 6-J1939數(shù)據(jù)通信（-） 7-J1587/J1708通信接口（+） 8-J1587/J1708通信接口（-） 圖2 基準(zhǔn)標(biāo)定線束

 

 

3．基準(zhǔn)標(biāo)定電纜

      基準(zhǔn)標(biāo)定電纜如圖3所示。

      為避免對插頭觸針造成損壞，應(yīng)在8針插頭上使用測試導(dǎo)線（零件號(hào)為382994）。確定基準(zhǔn)標(biāo)定電纜的ECM插頭需要適當(dāng)?shù)臏y試導(dǎo)線。

      測量8針插頭中的每個(gè)觸針與其在ECM插頭中相應(yīng)位置之間的電阻，萬用表必須顯示為閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應(yīng)更換基準(zhǔn)標(biāo)定電纜。

 

1-J1939數(shù)據(jù)通信（＋）  2-J1939數(shù)據(jù)通信（屏蔽） 3-蓄電池（＋） 4-蓄電池（-）5-鑰匙開關(guān) 6-J1939數(shù)據(jù)通信（-） 7-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（＋） 8-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（-） 圖3 基準(zhǔn)標(biāo)定電纜

 

4.  9針數(shù)據(jù)通信電纜和9針插頭

      9針數(shù)據(jù)通信電纜和操作室內(nèi)的9針數(shù)據(jù)通信接口如圖4所示。

      為了避免損壞插頭觸針，應(yīng)在9針Deutsch上使用零件號(hào)為3823993的陽性測試導(dǎo)線，在25針插頭上使用零件號(hào)為3822758的陽性測試導(dǎo)線。

      測量9針插頭中觸針A、B、C、D、E、F和G與所示的25針插頭中相應(yīng)位置之間的電阻，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。如果不是閉路，應(yīng)更換數(shù)據(jù)通信電纜。

 

A-搭鐵 B-蓄電池（＋） C-J1939數(shù)據(jù)通信接口（-） D-J1939數(shù)據(jù)通信接口（＋）E-J1939數(shù)據(jù)通信接口（屏蔽）F-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接  G-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（-） H、J-開路 圖4a 9針數(shù)據(jù)通信電纜

A-搭鐵 B-蓄電池（＋） C-J1939數(shù)據(jù)通信接口（-） D-J1939數(shù)據(jù)通信接口（＋）E-J1939數(shù)據(jù)通信接口（屏蔽）F-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接  G-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（-） H、J-開路 圖4b 9針操作室內(nèi)數(shù)據(jù)通信插頭

 

5.  6針數(shù)據(jù)通信電纜和插頭

      6針數(shù)據(jù)通信電纜和6針操作室內(nèi)數(shù)據(jù)通信插頭如圖5所示。

      為避免損壞插頭觸針，應(yīng)在6針插頭上使用零件號(hào)為3824811的陽性測試導(dǎo)線，在25針插頭上使用零件號(hào)為3822758的陽性測試導(dǎo)線。

      測量6針插頭中觸針A、B、C和E與所示的25針插頭中相應(yīng)位置中的電阻，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應(yīng)更換數(shù)據(jù)通信電纜。

 

A-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（＋） B-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（-）  C-蓄電池（＋） F-打開  E-搭鐵 圖5a 6針數(shù)據(jù)通信電纜

A-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（＋） B-J1587/J1708數(shù)據(jù)通信接口（-）  C-蓄電池（＋） F-打開  E-搭鐵 圖5b 6針操作室內(nèi)數(shù)據(jù)通信插頭

 

6.  3針數(shù)據(jù)通信電纜

      3針數(shù)據(jù)通信電纜如圖6所示。 

      為避免損壞接頭觸針，應(yīng)在25針插頭上使用陽性測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3822758）；在3針插頭上使用陽性測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3823994）；在2針電源插頭上使用陽性測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3822995）。

      測量3針插頭中觸針A、B和C與所示的25針插頭中相應(yīng)位置之間的電阻，測量2針電源插頭中觸針D和E與所示的5針插頭中相應(yīng)位置之間的電阻，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應(yīng)更換數(shù)據(jù)通信電纜。

  

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組3針數(shù)據(jù)通信電纜

7．小型主干電纜

      小型主干電纜如圖7所示。

      為避免損壞插頭觸針，應(yīng)在3針插頭上使用兩根陽性測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3823993）。

      測量主干電纜一端的觸針A與主干電纜另一端觸針A之間的電阻，對觸針B和觸針C重復(fù)同一步驟。萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小），如果不是閉路，應(yīng)更換主干電纜。測量電纜任意一端的觸針A和觸針B之間的電阻，以測量終端電阻。終端電阻必須為50～70Ω。

8．變換電纜

      變換電纜如圖8所示。

      為避免損壞插頭觸針、應(yīng)在3針插頭上使用兩根陰性測試導(dǎo)線（零件號(hào)為3823994）。

      測量變換電纜一端的觸針A與另一端的觸針A之間的電阻，對觸針B和觸針C重復(fù)同一步驟。萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小），如果電路不是閉路，應(yīng)更換變換電纜。

  

圖7 小型主干電纜

圖8 變換電纜

 

二、發(fā)電機(jī)組總線通信標(biāo)準(zhǔn)與影響

 

1、EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)

      在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：

（1）接收器的輸入電阻RIN≥12kQ；

（2）驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓；

（3）輸入端的電容≤50pF;

（4）在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）;

（5）接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號(hào)“0°；（V+）-（V-）≤0.8V，表示信號(hào)“1”。

      因?yàn)镽S485的速距腐號(hào)多幫點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

2、 影響通訊速度和通信可靠性的因素

（1）在通信電纜中的信號(hào)反射

      在通信過程中，有兩種信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，分別為阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。

① 阻抗不連續(xù)

      信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射，如圖9a所示。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)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(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻，如圖9b所示。

② 阻抗不匹配

      從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。但是，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號(hào)反射還會(huì)存在。引起信號(hào)反射的另個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。

      信號(hào)反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑲w根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘?hào)觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤或整個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

      在信號(hào)分析，衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的參數(shù)是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計(jì)算公式如式（1）。

RAF=201g（Vref/Vinc）..........................（公式1)

式中，Vref—反射信號(hào)的電壓大小

Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號(hào)的電壓大小。 

      例如，由實(shí)驗(yàn)測得2.5MHz的入射信號(hào)正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號(hào)的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：

      RAF=201g（0.297/2.5）=-24.52dB要減弱反射信號(hào)對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對于比較小的反射信號(hào)，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。

（2）在通訊電纜中的信號(hào)衰減

      第二個(gè)影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩厥切盘?hào)在電纜的傳輸過程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路，如圖10a所示。電纜的分布電容C主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。導(dǎo)線的電阻在這里對信號(hào)的影響很小，可以忽略不計(jì)。信號(hào)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。

（3）在通訊電纜中的純阻負(fù)載

      影響通訊性能的第三個(gè)因素是純阻性負(fù)載（也叫直流負(fù)載）的大小。這里指的純阻性負(fù)載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構(gòu)成。

      在敘述EIA RS-485規(guī)范時(shí)曾提到過RS-485驅(qū)動(dòng)器在帶了32個(gè)節(jié)點(diǎn)，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖10b所示。按這樣計(jì)算，RS-485驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力為：

RL = 32個(gè)輸入電阻并聯(lián)目2個(gè)終端電=｛（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2）｝≈ 51.79

 

圖9  柴油發(fā)電機(jī)組通信電纜中的信號(hào)反射

圖10  柴油發(fā)電機(jī)組通訊電纜中的信號(hào)衰減

 

      現(xiàn)在比較常用的RS-485驅(qū)動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力可以達(dá)到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載的關(guān)系計(jì)算，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可帶節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于32個(gè)。

      在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上偏置電阻是很有必要的。偏置電阻的連接方法如圖11。它的作用是在線路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線上沒有數(shù)據(jù)時(shí)（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖12。這樣一來，即使線路中出現(xiàn)了比較小的反射信號(hào)或干擾，掛接在總線上的數(shù)據(jù)接收器也不會(huì)由于這些信號(hào)的到來而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

      通過下面后例子了，可以計(jì)算出偏置電阻的大小： 終端電阻Rt1=Rr2=120Ω； 假設(shè)反射信號(hào)最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負(fù)半周的電壓Vref≤0.15V；終端的電阻上由反射信號(hào)引起的反射電流Iref≤0.15/（120||120）=2.5mA。一般RS-485收發(fā)器（包括SN75176）的滯后電壓值（hysteresis value）為50mV，即：

（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV

于是可以計(jì)算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流

Ibias≥3.33mA +5V=Ibias｛R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）｝.........................（公式2）

通過式2，可以計(jì)算出R上拉=R下拉=720Ω。

      在實(shí)際應(yīng)用中，RS-485總線加偏置電阻有兩種方法：

① 把偏置電阻平衡分配給總線上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。

② 在一段總線上只用一對偏置電阻。這種方法對總線上存在大的反射信號(hào)或干擾信號(hào)比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線的負(fù)載。

 

圖11  柴油發(fā)電機(jī)組通訊電纜偏置電阻配置

圖12  柴油發(fā)電機(jī)組通訊電纜偏置電阻對反射信號(hào)影響

 

3、總線的負(fù)載能力和通訊電纜長度的關(guān)系

      在設(shè)計(jì)RS-485總線組成的網(wǎng)絡(luò)配置（總線長度和帶負(fù)載個(gè)數(shù)）時(shí)，應(yīng)該考慮到三個(gè)參數(shù)，分別為純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減和噪聲容限。

      純阻性負(fù)載、信號(hào)衰減這兩個(gè)參數(shù)，在前面已經(jīng)討論過，現(xiàn)在要討論的是噪聲容限（Noise Margin）。RS-485總線接收器的噪聲容限至少應(yīng)該大于200mV。前面的論述者是在假設(shè)噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高總線的抗干擾能力，總希望系統(tǒng)的噪聲容限比EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的好一些。從下面的公式能看出總線帶負(fù)載的多少和通訊電纜長度之間的關(guān)系：

Vend=0.8（Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias）.........................（公式3）

其中：Vend為總線末端的信號(hào)電壓，在標(biāo)準(zhǔn)測定時(shí)規(guī)定為0.2V；

Vdriver為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓（與負(fù)載數(shù)有關(guān)。負(fù)載數(shù)在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V；當(dāng)負(fù)載數(shù)小于5，Vdriver=2.5V；當(dāng)負(fù)載數(shù)大于35，Vdriver≤2.3V）；

Vloss為信號(hào)在總線中的傳輸過程中的損耗（與通訊電纜的規(guī)格和長度有關(guān)），根據(jù)公式衰減系數(shù)b=20lg（Vout/Vin）可以計(jì)算出Vloss=Vin-Vout=0.6V（注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長度1km，如果特率增加，Vloss會(huì)相應(yīng)增大）；

Vnoise為噪聲容限，在標(biāo)準(zhǔn)測定時(shí)規(guī)定為0.1V；

Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓（典型值為0.4V）。

      式（3）中乘以0.8是為了使通信電纜不進(jìn)入滿載狀態(tài)。從式（3）可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負(fù)載數(shù)的多少成反比，Vloss的大小和總線長度成反比，其他幾個(gè)參數(shù)只和用的驅(qū)動(dòng)器類型有關(guān)。因此，在選定了驅(qū)動(dòng)器的RS-495總線上，在通信波特率一定的情況下，帶負(fù)載數(shù)的多少，與信號(hào)能傳輸?shù)淖畲缶嚯x是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：在總線允許的范圍內(nèi)，帶負(fù)載數(shù)越多，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就越小；帶負(fù)載數(shù)據(jù)少，信號(hào)能傳輸?shù)木嚯x就發(fā)越遠(yuǎn)。

4、 分布電容對總線傳輸性能的影響

      電纜的分布電容主是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對總線傳輸性能的影響，主要是因?yàn)榭偩€上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?hào)，信號(hào)的表達(dá)方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0x01，信號(hào)“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號(hào)“1”到來時(shí)，由于分布電容中的電荷，來不及放電，（Vin+）—（Vin-）-還大于200mV，結(jié)果使接愛誤認(rèn)為是“0”，而最終導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，整個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸錯(cuò)誤。

      由于總線上分布影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能降低。解決這個(gè)問題有兩種方法：其一是降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩黄涠鞘褂梅植茧娙菪〉碾娎|，提高傳輸線的質(zhì)量。

 

 總結(jié)：

      在柴油發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行中，實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是非常重要的。實(shí)時(shí)監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)拾取問題，并采取相應(yīng)的措施。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)則可以為后續(xù)處理和分析提供重要的依據(jù)，幫助康明斯公司更好地理解柴油發(fā)電機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)和規(guī)律。在柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)拾取問題上，康明斯公司需要進(jìn)行深入的研究和分析，以確保信號(hào)的充分捕捉和分析。同時(shí)，康明斯公司還需要采用一些現(xiàn)代化的技術(shù)和設(shè)備，以提高信號(hào)的捕捉和分析效率。最后，康明斯公司需要建立一個(gè)完整的信號(hào)拾取和處理機(jī)制，以確保信號(hào)的及時(shí)處理和利用。通過這些措施的采取，康明斯公司可以更好地滿足社會(huì)的能源需求，并為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

 

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