新聞主題	柴油發電機組通訊信號線束的電阻檢查、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。在進行發動機通信電纜電阻測量時，在測量前必須把待測部件斷電，為此應斷開柴油發電機啟動蓄電池的接線，等待約3分鐘，直到系統中的所有電容器放完電。發動機通信電線信號僅僅用于設備本身的通訊，對于技術人員來說，了解柴油發電機組總線通信更是排除設備故障技術優先項。因此，康明斯公司也在本文中闡述了RS-485總線規范，描述了影響RS-485總線通信速率和通信可靠性的三個因素，同時提出了相應的解決方法并討論了柴油發電機組總線負載能力和傳輸距離之間的具體關系。

 

一、發動機通信電纜的類型

 

1．串行電纜

      數據線適配器與計算機交互時需要使用串行電纜，其各觸針功能如圖1所示。使用測試導線（零件號為3822758和3822917）可避免串行電纜觸針損壞。

      測量電阻時，在串行電纜陰端觸針1上插入測試導線，并將其與萬用表表筆連接，將另一根測試導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，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。對觸針2至觸針9重復電阻測量步驟。萬用表必須在每個觸針上顯示為閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應更換串行電纜。

2．基準標定線束

      基準標定線束如圖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，在9針插頭上使用零件號為3823994的測試導線，在3針插頭上使用測試導線（零件號為3824812）。

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

 

1-打開 2-發送數據 3-接收數據 4-數據終端準備就緒（+5V）  5-信號搭鐵 6-打開 7-請求發送（+5V）  8-取消發送 9-打開 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 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（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。

      測量8針插頭中的每個觸針與其在ECM插頭中相應位置之間的電阻，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-鑰匙開關 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的陽性測試導線，在25針插頭上使用零件號為3822758的陽性測試導線。

      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的陽性測試導線，在25針插頭上使用零件號為3822758的陽性測試導線。

      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  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  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針插頭上使用陽性測試導線（零件號為3822758）；在3針插頭上使用陽性測試導線（零件號為3823994）；在2針電源插頭上使用陽性測試導線（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，萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小）。如果電路不是閉路，應更換數據通信電纜。

  

圖6 柴油發電機組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性測試導線（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。萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小），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（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。萬用表必須顯示閉路（10Ω或更小），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、發電機組總線通信標準與影響

 

1、EIA RS-485標準

      在自動化領域，隨著分布式控制系統的發展，迫切需要一種總線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、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線，具體規格要求：

（1）接收器的輸入電阻RIN≥12kQ；

（2）驅動器能輸出±7V的共模電壓；

（3）輸入端的電容≤50pF;

（4）在節點數為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動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有關）;

（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（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業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

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

① 阻抗不連續

      信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射，如圖9a所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另一種媒質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，就再也不會出現信號反射現象。但是，在實現應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環境有關，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存在。引起信號反射的另個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通訊線路處在空閑方式時，整個網絡數據混亂。

      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—在電纜與收發器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。 

      例如，由實驗測得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，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路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實際應用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經常采用加偏置電阻的方法。

（2）在通訊電纜中的信號衰減

      第二個影響信號傳輸的因素是信號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線產生。導線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收發器三者構成。

      在敘述EIA RS-485規范時曾提到過RS-485驅動器在帶了32個節點，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個接收器的輸入電阻為12kΩ，整個網絡的等效電路如圖10b所示。按這樣計算，RS-485驅動器的負載能力為：

RL = 32個輸入電阻并聯目2個終端電=｛（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2）｝≈ 51.79

 

圖9  柴油發電機組通信電纜中的信號反射

圖10  柴油發電機組通訊電纜中的信號衰減

 

      現在比較常用的RS-485驅動器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅動器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅動能力和負載的關系計算，一個驅動器可帶節點的最大數量將遠遠大于32個。

      在通訊波特率比較高的時候，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入空閑狀態后，把總線上沒有數據時（空閑方式）的電平拉離0電平，如圖12。這樣一來，即使線路中出現了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線上的數據接收器也不會由于這些信號的到來而產生誤動作。

      通過下面后例子了，可以計算出偏置電阻的大小： 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，可以計算出R上拉=R下拉=720Ω。

      在實際應用中，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收發器。這種方法給掛接在RS-485總線上的每一個收發器加了偏置電阻，給每一個收發器都加了一個偏置電壓。

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，增加了總線的負載。

 

圖11  柴油發電機組通訊電纜偏置電阻配置

圖12  柴油發電機組通訊電纜偏置電阻對反射信號影響

 

3、總線的負載能力和通訊電纜長度的關系

      在設計RS-485總線組成的網絡配置（總線長度和帶負載個數）時，應該考慮到三個參數，分別為純阻性負載、信號衰減和噪聲容限。

      純阻性負載、信號衰減這兩個參數，在前面已經討論過，現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的情況下進行的。在實際應用中，為了提高總線的抗干擾能力，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帶負載的多少和通訊電纜長度之間的關系：

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

其中：Vend為總線末端的信號電壓，在標準測定時規定為0.2V；

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

Vloss為信號在總線中的傳輸過程中的損耗（與通訊電纜的規格和長度有關），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，電纜長度1km，如果特率增加，Vloss會相應增大）；

Vnoise為噪聲容限，在標準測定時規定為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入滿載狀態。從式（3）可以看出，Vdriver的大小和總線上帶負載數的多少成反比，Vloss的大小和總線長度成反比，其他幾個參數只和用的驅動器類型有關。因此，在選定了驅動器的RS-495總線上，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的。具體關系是：在總線允許的范圍內，帶負載數越多，信號能傳輸的距離就越小；帶負載數據少，信號能傳輸的距離就發越遠。

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線產生。另外，導線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時也不能忽視。分布電容對總線傳輸性能的影響，主要是因為總線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間，而信號“1”到來時，由于分布電容中的電荷，來不及放電，（Vin+）—（Vin-）-還大于200mV，結果使接愛誤認為是“0”，而最終導致CRC校驗錯誤，整個數據幀傳輸錯誤。

      由于總線上分布影響，導致數據傳輸錯誤，從而使整個網絡性能降低。解決這個問題有兩種方法：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，提高傳輸線的質量。

 

 總結：

      在柴油發電機的正常運行中，實時監控和數據統計是非常重要的。實時監控可以及時發現信號拾取問題，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電機信號的特點和規律。在柴油發電機啟動信號拾取問題上，康明斯公司需要進行深入的研究和分析，以確保信號的充分捕捉和分析。同時，康明斯公司還需要采用一些現代化的技術和設備，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完整的信號拾取和處理機制，以確保信號的及時處理和利用。通過這些措施的采取，康明斯公司可以更好地滿足社會的能源需求，并為推動社會發展作出更大的貢獻。

 

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