新聞主題	柴油發(fā)電機組通訊信號線(xiàn)束的電阻檢查、影響因素與類(lèi)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，為此應斷開(kāi)柴油發(fā)電機啟動(dòng)蓄電池的接線(xiàn)，等待約3分鐘，直到系統中的所有電容器放完電。發(fā)動(dòng)機通信電線(xiàn)信號僅僅用于設備本身的通訊，對于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，了解柴油發(fā)電機組總線(xiàn)通信更是排除設備故障技術(shù)優(yōu)先項。因此，康明斯公司也在本文中闡述了RS-485總線(xiàn)規范，描述了影響RS-485總線(xiàn)通信速率和通信可靠性的三個(gè)因素，同時(shí)提出了相應的解決方法并討論了柴油發(fā)電機組總線(xiàn)負載能力和傳輸距離之間的具體關(guān)系。

 

一、發(fā)動(dòng)機通信電纜的類(lèi)型

 

1．串行電纜

      數據線(xiàn)適配器與計算機交互時(shí)需要使用串行電纜，其各觸針功能如圖1所示。使用測試導線(xiàn)（零件號為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上插入測試導線(xiàn)，并將其與萬(wàn)用表表筆連接，將另一根測試導線(xiàn)連接到串行電纜陽(yáng)端觸針1，并將其連接到萬(wàn)用表表筆。測量電阻時(shí)，萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?。對觸針2至觸針9重復電阻測量步驟。萬(wàn)用表必須在每個(gè)觸針上顯示為閉路（10Ω或更?。?。如果電路不是閉路，應更換串行電纜。

2．基準標定線(xiàn)束

      基準標定線(xiàn)束如圖2所示。

      為了避免損壞插頭觸針，應在8針插頭上使用零件號為3823993的測試導線(xiàn)，在9針插頭上使用零件號為3823994的測試導線(xiàn)，在3針插頭上使用測試導線(xiàn)（零件號為3824812）。

      測量8針接頭中每個(gè)觸針與9針和/或3針插頭中相應位置之間的電阻，萬(wàn)用表必須顯示為閉路（10Ω或更?。?。如果電路不是閉路，應更換基準標定線(xiàn)束。

 

1-打開(kāi) 2-發(fā)送數據 3-接收數據 4-數據終端準備就緒（+5V）  5-信號搭鐵 6-打開(kāi) 7-請求發(fā)送（+5V）  8-取消發(fā)送 9-打開(kāi) 圖1 串行電纜各觸針的功能

1-J1939數據通信（+） 2-J1939數據通信（屏蔽）3-蓄電池（+） 4-蓄電池（-）5-鑰匙開(kāi) 6-J1939數據通信（-） 7-J1587/J1708通信接口（+） 8-J1587/J1708通信接口（-） 圖2 基準標定線(xiàn)束

 

 

3．基準標定電纜

      基準標定電纜如圖3所示。

      為避免對插頭觸針造成損壞，應在8針插頭上使用測試導線(xiàn)（零件號為382994）。確定基準標定電纜的ECM插頭需要適當的測試導線(xiàn)。

      測量8針插頭中的每個(gè)觸針與其在ECM插頭中相應位置之間的電阻，萬(wàn)用表必須顯示為閉路（10Ω或更?。?。如果電路不是閉路，應更換基準標定電纜。

 

1-J1939數據通信（＋）  2-J1939數據通信（屏蔽） 3-蓄電池（＋） 4-蓄電池（-）5-鑰匙開(kāi)關(guān) 6-J1939數據通信（-） 7-J1587/J1708數據通信接口（＋） 8-J1587/J1708數據通信接口（-） 圖3 基準標定電纜

 

4.  9針數據通信電纜和9針插頭

      9針數據通信電纜和操作室內的9針數據通信接口如圖4所示。

      為了避免損壞插頭觸針，應在9針Deutsch上使用零件號為3823993的陽(yáng)性測試導線(xiàn)，在25針插頭上使用零件號為3822758的陽(yáng)性測試導線(xiàn)。

      測量9針插頭中觸針A、B、C、D、E、F和G與所示的25針插頭中相應位置之間的電阻，萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?。如果不是閉路，應更換數據通信電纜。

 

A-搭鐵 B-蓄電池（＋） C-J1939數據通信接口（-） D-J1939數據通信接口（＋）E-J1939數據通信接口（屏蔽）F-J1587/J1708數據通信接  G-J1587/J1708數據通信接口（-） H、J-開(kāi)路 圖4a 9針數據通信電纜

A-搭鐵 B-蓄電池（＋） C-J1939數據通信接口（-） D-J1939數據通信接口（＋）E-J1939數據通信接口（屏蔽）F-J1587/J1708數據通信接  G-J1587/J1708數據通信接口（-） H、J-開(kāi)路 圖4b 9針操作室內數據通信插頭

 

5.  6針數據通信電纜和插頭

      6針數據通信電纜和6針操作室內數據通信插頭如圖5所示。

      為避免損壞插頭觸針，應在6針插頭上使用零件號為3824811的陽(yáng)性測試導線(xiàn)，在25針插頭上使用零件號為3822758的陽(yáng)性測試導線(xiàn)。

      測量6針插頭中觸針A、B、C和E與所示的25針插頭中相應位置中的電阻，萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?。如果電路不是閉路，應更換數據通信電纜。

 

A-J1587/J1708數據通信接口（＋） B-J1587/J1708數據通信接口（-）  C-蓄電池（＋） F-打開(kāi)  E-搭鐵 圖5a 6針數據通信電纜

A-J1587/J1708數據通信接口（＋） B-J1587/J1708數據通信接口（-）  C-蓄電池（＋） F-打開(kāi)  E-搭鐵 圖5b 6針操作室內數據通信插頭

 

6.  3針數據通信電纜

      3針數據通信電纜如圖6所示。 

      為避免損壞接頭觸針，應在25針插頭上使用陽(yáng)性測試導線(xiàn)（零件號為3822758）；在3針插頭上使用陽(yáng)性測試導線(xiàn)（零件號為3823994）；在2針電源插頭上使用陽(yáng)性測試導線(xiàn)（零件號為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針插頭中相應位置之間的電阻，萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?。如果電路不是閉路，應更換數據通信電纜。

  

圖6 柴油發(fā)電機組3針數據通信電纜

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，應在3針插頭上使用兩根陽(yáng)性測試導線(xiàn)（零件號為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重復同一步驟。萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?，如果不是閉路，應更換主干電纜。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、應在3針插頭上使用兩根陰性測試導線(xiàn)（零件號為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重復同一步驟。萬(wàn)用表必須顯示閉路（10Ω或更?。?，如果電路不是閉路，應更換變換電纜。

  

圖7 小型主干電纜

圖8 變換電纜

 

二、發(fā)電機組總線(xiàn)通信標準與影響

 

1、EIA RS-485標準

      在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著(zhù)分布式控制系統的發(fā)展，迫切需要一種總線(xiàn)能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點(diǎn)、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線(xiàn)標準。RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)，具體規格要求：

（1）接收器的輸入電阻RIN≥12kQ；

（2）驅動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓；

（3）輸入端的電容≤50pF;

（4）在節點(diǎn)數為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動(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(xiàn)的參數有關(guān)）;

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

      因為RS485的速距腐號多幫點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線(xiàn)成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準。

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反射

      在通信過(guò)程中，有兩種信號會(huì )導致信號反射，分別為阻抗不連續和阻抗不匹配。

① 阻抗不連續

      信號在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號在這個(gè)地方就會(huì )引起反射，如圖9a所示。這種信號反射的原理，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。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 )出現信號反射現象。但是，在實(shí)現應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(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反射還會(huì )存在。引起信號反射的另個(gè)原因是數據收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通訊線(xiàn)路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據混亂。

      信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個(gè)數據幀錯誤。

      在信號分析，衡量反射信號強度的參數是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。它的計算公式如式（1）。

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

式中，Vref—反射信號的電壓大小

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

      例如，由實(shí)驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-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要減弱反射信號對通訊線(xiàn)路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應用中，對于比較小的反射信號，為簡(jiǎn)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衰減

      第二個(gè)影響信號傳輸的因素是信號在電纜的傳輸過(guò)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(xiàn)的兩條平行導線(xiàn)產(chǎn)生。導線(xiàn)的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。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。

（3）在通訊電纜中的純阻負載

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

      在敘述EIA RS-485規范時(shí)曾提到過(guò)RS-485驅動(dòng)器在帶了32個(gè)節點(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。按這樣計算，RS-485驅動(dòng)器的負載能力為：

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)電機組通信電纜中的信號反射

圖10  柴油發(fā)電機組通訊電纜中的信號衰減

 

      現在比較常用的RS-485驅動(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驅動(dòng)器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅動(dòng)能力和負載的關(guān)系計算，一個(gè)驅動(dòng)器可帶節點(diǎn)的最大數量將遠遠大于32個(gè)。

      在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線(xiàn)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(xiàn)路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線(xiàn)上沒(méi)有數據時(shí)（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖12。這樣一來(lái)，即使線(xiàn)路中出現了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線(xiàn)上的數據接收器也不會(huì )由于這些信號的到來(lái)而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

      通過(guò)下面后例子了，可以計算出偏置電阻的大?。?終端電阻Rt1=Rr2=120Ω； 假設反射信號最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負半周的電壓Vref≤0.15V；終端的電阻上由反射信號引起的反射電流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(guò)式2，可以計算出R上拉=R下拉=720Ω。

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

① 把偏置電阻平衡分配給總線(xiàn)上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線(xiàn)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(xiàn)上只用一對偏置電阻。這種方法對總線(xiàn)上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線(xiàn)的負載。

 

圖11  柴油發(fā)電機組通訊電纜偏置電阻配置

圖12  柴油發(fā)電機組通訊電纜偏置電阻對反射信號影響

 

3、總線(xiàn)的負載能力和通訊電纜長(cháng)度的關(guān)系

      在設計RS-485總線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò )配置（總線(xiàn)長(cháng)度和帶負載個(gè)數）時(shí)，應該考慮到三個(gè)參數，分別為純阻性負載、信號衰減和噪聲容限。

      純阻性負載、信號衰減這兩個(gè)參數，在前面已經(jīng)討論過(guò)，現在要討論的是噪聲容限（Noise Margin）。RS-485總線(xiàn)接收器的噪聲容限至少應該大于200mV。前面的論述者是在假設噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。在實(shí)際應用中，為了提高總線(xiàn)的抗干擾能力，總希望系統的噪聲容限比EIA RS-485標準中規定的好一些。從下面的公式能看出總線(xiàn)帶負載的多少和通訊電纜長(cháng)度之間的關(guān)系：

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

其中：Vend為總線(xiàn)末端的信號電壓，在標準測定時(shí)規定為0.2V；

Vdriver為驅動(dòng)器的輸出電壓（與負載數有關(guān)。負載數在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V；當負載數小于5，Vdriver=2.5V；當負載數大于35，Vdriver≤2.3V）；

Vloss為信號在總線(xiàn)中的傳輸過(guò)程中的損耗（與通訊電纜的規格和長(cháng)度有關(guān)），根據公式衰減系數b=20lg（Vout/Vin）可以計算出Vloss=Vin-Vout=0.6V（注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長(cháng)度1km，如果特率增加，Vloss會(huì )相應增大）；

Vnoise為噪聲容限，在標準測定時(shí)規定為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(mǎn)載狀態(tài)。從式（3）可以看出，Vdriver的大小和總線(xiàn)上帶負載數的多少成反比，Vloss的大小和總線(xiàn)長(cháng)度成反比，其他幾個(gè)參數只和用的驅動(dòng)器類(lèi)型有關(guān)。因此，在選定了驅動(dòng)器的RS-495總線(xiàn)上，在通信波特率一定的情況下，帶負載數的多少，與信號能傳輸的最大距離是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：在總線(xiàn)允許的范圍內，帶負載數越多，信號能傳輸的距離就越??；帶負載數據少，信號能傳輸的距離就發(fā)越遠。

4、 分布電容對總線(xiàn)傳輸性能的影響

      電纜的分布電容主是由雙絞線(xiàn)的兩條平行導線(xiàn)產(chǎn)生。另外，導線(xiàn)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(xiàn)傳輸性能的影響，主要是因為總線(xiàn)上傳輸的是基波信號，信號的表達方式只有“1”和“0”。在特殊的字節中，例如0x01，信號“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號“1”到來(lái)時(shí)，由于分布電容中的電荷，來(lái)不及放電，（Vin+）—（Vin-）-還大于200mV，結果使接愛(ài)誤認為是“0”，而最終導致CRC校驗錯誤，整個(gè)數據幀傳輸錯誤。

      由于總線(xiàn)上分布影響，導致數據傳輸錯誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能降低。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法：其一是降低數據傳輸的波特率；其二是使用分布電容小的電纜，提高傳輸線(xiàn)的質(zhì)量。

 

 總結：

      在柴油發(fā)電機的正常運行中，實(shí)時(shí)監控和數據統計是非常重要的。實(shí)時(shí)監控可以及時(shí)發(fā)現信號拾取問(wèn)題，并采取相應的措施。數據統計則可以為后續處理和分析提供重要的依據，幫助康明斯公司更好地理解柴油發(fā)電機信號的特點(diǎn)和規律。在柴油發(fā)電機啟動(dòng)信號拾取問(wèn)題上，康明斯公司需要進(jìn)行深入的研究和分析，以確保信號的充分捕捉和分析。同時(shí)，康明斯公司還需要采用一些現代化的技術(shù)和設備，以提高信號的捕捉和分析效率。最后，康明斯公司需要建立一個(gè)完整的信號拾取和處理機制，以確保信號的及時(shí)處理和利用。通過(guò)這些措施的采取，康明斯公司可以更好地滿(mǎn)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。

 

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