网络传输技术在安防系统中的应用

    几乎所有做过安防系统工程安装调试的技术人员对RS-485串型总线都不会陌生，基本上绝大多数的摄像机云台、镜头控制都是通过RS-485总线完成控制的，采用RS-485通信方式具有布线成本低、施工调试方便等显著优点。

    RS-232、RS-422、RS-485都是串行数据接口标准，由电子工业协会(EIA)制订并发布。RS-232于1962年发布，最初命名为EIA-232-E，作为一项工业标准来保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，主要为弥补RS-232之不足而提出。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺(速率低于100kb/s时),并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范,被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

    RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此对于在安防的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，一般作为私有协议或公开使用。国内的安防设备厂家大多采用标准RS-485串行通信协议方式，国外厂家大多采用曼切斯特(Manchester)编/解码协议方式通信。

    1、RS-485电气规定

    RS-485一般采用两线平衡差分信号传输，两条通信线上的信号极性正好相反。通常安防工程中采用的传输介质是双绞线。采用双绞线传输可以有效减少高速率长距离传输数字信号时常见的辐射电磁干扰(radiated EMI)和接收电磁干扰(received EMI)。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

    辐射电磁干扰：数字信号传输时的上升沿和下降沿处集中了信号的高频分量，这些高频分量在长线传输时会产生较强的辐射电磁干扰。使用双绞线时，两条线上的辐射幅度相等，极性相反，净辐射为零。

    接收电磁干扰：传输电缆同时相当于接收天线，会接收到空间的杂散信号(噪声)，会对有用的485通信信号造成干扰。双绞线防止了平衡传输时的电磁辐射，也就减少了接收电磁干扰的可能。同时双绞线上接收的噪声几乎是一样的(这种噪声叫共模噪声)。RS-485接收器只寻找两条线上形状相同极性相反的信号。因此噪声信号不会被接收。

    2、RS-485总线匹配电阻

    RS-485总线方式采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。

    因此，一般在RS-485总线电缆的开始和末端都需要并接终接电阻，一般在300米以下短距离传输时可不需终接电阻终接电阻阻值一般为120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。采用RC匹配(电阻、电容匹配)、二极管匹配等方法通过节能和削弱反射信号，可解决由于功率消耗导致的信号弱现象。

    3、RS-485总线接地问题

    电子系统的接地非常重要、不容被忽视。RS-485总线接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格，否则接口损坏率较高。很多实际的应用中，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的问题隐患，会带来共模干扰问题、电磁干扰(EMI)问题。

    1)共模干扰问题： RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。地电位差可能会有很大幅度，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入电压超出正常范围，并在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)电磁干扰(EMI)问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

    由于上述原因，RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-422或RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。通过信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。这条信号地可以是额外的一条线(非屏蔽双绞线)，或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。

    4、RS-485总线瞬态保护

    信号接地措施，针对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。 实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。主要有隔离保护、旁路保护等方法可以实现有效的瞬态保护。

    1)隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离。

    2)旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件(如TVS、MOV、气体放电管等)将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用。

    5、RS-485总线安防应用总结

    在很多实际安防工程应用中，由于总线结构不合理导致匹配阻抗问题，引起很多终端设备无法通讯，例如：在同一个RS-485总线上的部分摄像机不可控。针对典型安防工程中出现的一些情况，给出以下建议：

    1)RS-485总线结构尽可能采用类菊花链型串接，如果是星型结构要采用RS485Hub来汇聚;

    2)在总线的起始端和末端要添加120Ω匹配电阻，降低信号反射干扰;

    3)要选用带RS485瞬态保护电路的安防设备，降低设备故障的概率;

    4)采用屏蔽双绞线的屏蔽层作为地线，或者额外敷设一条地线来达到系统信号地共地。